Вы здесь

Электромагнетизм

При движении любых заряженных частиц возникает магнитное поле. Магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды, в частности на проводник с током. Взаимодействие магнитного поля с движущимися зарядами или с проводниками, по которым протекает ток, осуществляется посредством сил, называемых электромагнитными.

Интенсивность магнитного поля в точке пространства характеризуется магнитной индукцией, которую обозначают символом В.

Магнитная индукция представляет собой силовую характеристику магнитного поля в соответствующей точке. За единицу магнитной индукции в СИ принята магнитная индукция поля, в котором на рамку площадью 1 м2 при протекании по ней тока 1 А действует со стороны поля момент сил Ммакс = l Н• м.



Единица измерения магнитной индукции — тесла (сокращенно Тл).

Магнитная индукция — величина векторная, т. е. характеризуемая численным значением и направленностью.

Магнитное поле графически изображают при помощи линий магнитной индукции. Линией магнитной индукции (магнитной линией) называется такая линия, касательная к которой в любой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Магнитные линии используют для указания направления магнитного поля и для характеристики его интенсивности. Чем больше интенсивность магнитного поля — индукция, тем чаще проводят эти линии.

Магнитные линии прямолинейного проводника с током имеют вид концентрических окружностей, центры которых расположены на оси проводника. Направление магнитных линий вокруг проводника с током определяют по мнемоническому правилу буравчика, которое заключается в следующем (рис.4).

рис.4. Определение направления магнитных линий вокруг проводника с током по правилу буравчика.

Если буравчик расположить так, чтобы он ввинчивался в проводник по направлению тока, то направление вращения его рукоятки будет соответствовать направлению магнитных линий.

Направление магнитного поля катушки с током (соленоида) определяют также по правилу буравчика (рис.5).

рис.5. Определение направления магнитных линий вокруг соленоида.

При этом нужно вращать рукоятку буравчика в направлении тока в витках катушки. Поступательное движение буравчика укажет направление линий магнитной индукции.

Магнитную индукцию В (Тл) в точках, расположенных на расстоянии  r (м) от оси бесконечного длинного прямолинейного проводника с током I (А), рассчитывают по формуле

,

где — абсолютная магнитная проницаемость (характеристика магнитных свойств среды).

Магнитную индукцию на осевой линии в центре цилиндрической катушки с током, длина которой намного больше ее диаметра, рассчитывают по формуле

,

где ω — число витков катушки.

Произведение силы тока на число витков катушки (Iω) называют магнитодвижущей силой, которая измеряется в ампер-витках (А-в).

Произведение магнитной индукции В и площади F, перпендикулярной вектору магнитной индукции, называют магнитным потоком; обозначают символом Ф: Ф — BF.

Единица измерения магнитного потока вебер (сокращенно Вб).

Магнитное поле, во всех точках которого векторы магнитной индукции равны по значению и параллельны друг другу, называют однородным.

Магнитное поле, созданное одним и тем же током, при прочих равных условиях различно по интенсивности в различных средах ввиду различных магнитных свойств этих сред.

Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, является абсолютная магнитная проницаемость.

Единица измерения абсолютной магнитной проницаемости — генри на метр (сокращенно Г/м).

Абсолютную магнитную проницаемость вакуума принято называть магнитной постоянной .

Величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данной среды больше или меньше магнитной постоянной (абсолютной магнитной проницаемости вакуума), называется относительной магнитной проницаемостью или магнитной проницаемостью.

Магнитная проницаемость — величина безразмерная.

Вещества, у которых относительная магнитная проницаемость меньше единицы, называют диамагнитными. В этих веществах магнитное поле слабее, чем в вакууме. Такими веществами являются водород, вода, кварц, серебро, медь и др.

Вещества, у которых относительная магнитная проницаемость немного больше единицы, называются парамагнитными. В таких веществах магнитное поле несколько сильнее, чем в вакууме. К таким веществам относятся воздух, кислород, алюминий, платина и др.

Для диамагнитных и парамагнитных веществ величина магнитной проницаемости не зависит от напряженности внешнего, намагничивающего поля, т. е. представляет собой постоянную величину, характеризующую данное вещество.

Особую группу образуют ферромагнитные вещества (железо, сталь, никель, кобальт и некоторые сплавы), магнитная проницаемость которых достигает нескольких десятков тысяч. Эти материалы, обладающие свойствами намагничиваться и резко усиливать магнитное поле, широко применяют в электротехнике (в электромагнитах, электрических машинах, трансформаторах, электроизмерительных приборах, реле и др.).

Катушка с железным сердечником называется электромагнитом.

Для характеристики магнитного поля наряду с вектором магнитной индукции В пользуются величиной, называемой напряженностью магнитного поля — Н.

Напряженность магнитного поля представляет собой величину, характеризующую интенсивность так называемого внешнего магнитного поля (без учета магнитных свойств среды).

Напряженность магнитного поля — векторная величина.

Направление вектора напряженности магнитного поля в изотропной среде, т. е. в среде, имеющей одинаковые свойства по всем направлениям, совпадает с вектором магнитной индукции в данной точке поля.

Напряженность магнитного поля Н и магнитная индукция В связаны зависимостью

.

Единица измерения напряженности магнитного поля ампер на метр (А/м).

Сильно выраженные магнитные свойства ферромагнитных материалов объясняются наличием в них самопроизвольно намагниченных очень малых областей (доменов), которые можно представить в виде маленьких магнитиков.

При отсутствии внешнего магнитного поля в ферромагнитном веществе в целом не обнаруживаются магнитные свойства, так как магнитные поля доменов имеют различную ориентацию и их суммарное магнитное поле равно нулю.

Когда ферромагнитный материал помещают во внешнее магнитное поле, например в катушку с током, то под действием внешнего поля домены поворачиваются в направлении внешнего поля. При этом магнитное поле катушки с током резко усиливается и магнитная индукция В возрастает. Если внешнее поле слабо, поворачивается только часть доменов, магнитные поля которых по своему направлению близки к направлению внешнего поля. По мере усиления внешнего поля количество повернутых доменов возрастает и при некотором значении напряженности Н внешнего поля практически все домены оказываются повернутыми так, что их магнитные поля располагаются по направлению поля. Такое состояние называется магнитным насыщением.



Зависимость магнитной индукции В ферромагнитного материала от напряженности Н намагничивающего (внешнего) поля можно выразить в виде графика, который называется кривой намагничивания.

Кривые намагничивания некоторых ферромагнитных материалов, приведенные на рис. 6,

рис.6. Кривые намагничивания некоторых ферро-магнитных материалов.

показывают, что с увеличением напряженности Н магнитная индукция В сначала быстро возрастает. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением намагничивающего (внешнего) поля появляется и усиливается собственное магнитное поле ферромагнитного материала, которое образуется повернутыми элементарными магнитиками.

В месте изгиба кривой скорость роста магнитной индукции уменьшается. За изгибом, когда напряженность поля достигает некоторого значения, наступает насыщение, и кривая незначительно поднимается, переходя в прямую линию. На этом участке магнитная индукция продолжает увеличиваться, но уже очень медленно, и только за счет увеличения напряженности внешнего магнитного поля.

Графически зависимость В от Н не прямая линия, следовательно, отношение  непостоянно, т. е. магнитная проницаемость ферромагнитного материала не является постоянной величиной, а зависит от напряженности намагничивающего поля.

Если в обмотке катушки с ферромагнитным сердечником увеличивать силу тока до полного магнитного насыщения, а затем уменьшать ее, то кривая намагничивания не совпадает с кривой размагничивания (рис.7).

рис.7. Петля гистерезиса.

При напряженности, равной нулю, магнитная индукция не равна нулю, а имеет некоторое значение В, которое называется остаточной магнитной индукцией. Явление отставания магнитной индукции В от намагничивающей силы Н называется гистерезисом.

Чтобы полностью размагнитить ферромагнитный сердечник, в катушке нужно создать ток обратного направления, который создал бы напряженность, равную отрезку Нс. Для различных ферромагнитных материалов этот отрезок имеет различную длину. Чем больше этот отрезок, тем больше требуется энергии на размагничивание.

Значение Нс напряженности поля обратного направления, при котором произойдет полное размагничивание сердечника, называется коэрцитивной (задерживающей) силой.

Если и дальше увеличивать ток в катушке, то индукция снова возрастет до значения насыщения (—В), но с измененным направлением магнитных силовых линий. Размагничивая в обратном направлении, получим остаточную индукцию (—В). Увеличивая ток через катушку в первоначальном направлении, снова придем в точку а. Кривая абвгджа называется циклической кривой перемагничивания или петлей гистерезиса. Энергию, расходуемую на циклическое перемагничивание, называют потерями на гистерезис.

Явление остаточного магнетизма используется при изготовлении постоянных магнитов из материалов, обладающих большим остаточным магнетизмом (магнитно-твердые материалы).

Из материалов, способных легко перемагничиваться (магнитно-мягкие материалы), изготовляют сердечники электрических машин и аппаратов.

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует электромагнитная сила F = BIl sin α, где В — магнитная индукция поля, Тл; I — ток в проводнике, А; l — активная длина проводника, м; α — угол между направлениями тока в проводнике и вектором магнитной индукции поля.

Сила, действующая на проводник с током, имеет направление, которое можно определить по так называемому правилу левой руки: если расположить ладонь левой руки так, чтобы магнитные линии входили в нее и четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике(рис.8),

рис.8. Правило левой руки.

то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на проводник с током. Эта сила перпендикулярна вектору магнитной индукции и току.

Движущийся в магнитном поле проводник с током является прообразом электрического двигателя, в котором электрическая энергия превращается в механическую.

При движении проводника в магнитном поле в нем индуктируется электродвижущая сила, значение которой (В) пропорционально магнитной индукции, активной длине проводника и нормальной (к полю) составляющей скорости его движения, т. е. e=Blυ sin α, где В — магнитная индукция, Тл; υ— скорость движения проводника, м/с; I — активная длина проводника (часть проводника, находящаяся в магнитном поле), м; α — угол между векторами скорости и магнитной индукции поля.

Эта зависимость носит название закона электромагнитной индукции.

Для определения направления индуктированной э.д. с. в прямолинейном проводнике применяют правило правой руки (рис. 9):

рис.9. Правило правой руки.

если расположить ладонь правой руки так, чтобы магнитные линии входили в нее, а отставленный большой палец указывал направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца покажут направление индуктированной э.д.с.

Движущийся в магнитном поле под действием внешней механической силы проводник представляет собой простейший электрический генератор, в котором происходит преобразование механической энергии в электрическую.

Закон электромагнитной индукции формулируется и по-другому: в замкнутом контуре индуктируется э.д. с. при всяком изменении магнитного потока, охватываемого этим контуром. Э. д. е., индуктированная в контуре, численно равна скорости изменения магнитного потока, охватываемого этим контуром:

Эта формула дает среднее значение э.д.с. за время At и показывает, что э.д.с. зависит не от абсолютного значения магнитного потока, а от скорости его изменения. При наличии нескольких витков, пронизываемых одним и тем же магнитным потоком, индуктированную э. д. с. рассчитывают по формуле

Эта формула выражает закон Ленца: индуктированная э.д.с. имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей возникновение э. д. с.

Если витки катушки пронизываются различными по значению магнитными потоками, то индуктированная во всей катушке э. д. с. равна сумме э. д. е., индуктированных в отдельных витках катушки:

Сумму магнитных потоков отдельных витков катушки называют потокосцеплением.

Единица измерения потокосцепления, как и магнитного потока, — вебер.

Если электрический ток в контуре изменяется, то изменяется и созданный им магнитный поток. При этом по закону электромагнитной индукции в проводнике индуктируется э.д. с. Поскольку она возникает вследствие изменения тока в самом проводнике, то это явление названо самоиндукцией, а индуктируемая в проводнике э. д. с. названа э. д. с. самоиндукции.

Магнитный поток и потокосцепление зависят не только от силы тока в проводнике, но и от формы и размеров этого проводника, а также от магнитной проницаемости окружающей его среды. Между потокосцеплением и током.

Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью проводника. Он характеризует свойство проводника образовывать, потокосцепление при прохождении по нему тока. Это один из главных параметров электрических цепей.

Для определенной цепи индуктивность — величина постоянная. Она зависит от геометрических размеров контура, его конфигурации и магнитной проницаемости окружающей среды, но не зависит ни от силы тока в контуре, ни от магнитного потока.



Индуктивность катушки тем больше, чем больше площадь ее сечения и чем больше она содержит витков, вследствие того, что оба эти условия увеличивают магнитный поток через катушку при одном и том же токе в ней. Очень сильно возрастает магнитный поток через катушку, если в нее вставить железный сердечник. Поэтому катушка с железным сердечником обладает гораздо большей индуктивностью, чем такая же по размерам катушка без сердечника.

Единица измерения индуктивности - генри (сокращенно Г):

Генри — это индуктивность проводника, в котором ток силой: 1 А возбуждает магнитный поток 1 Вб.

Если взять два или больше электрически не связанных замкнутых контуров и по одному из них пропустить ток, то в других контурах будет индуктироваться э. д. с. Это явление получило название взаимоиндукции.

В электрических приборах и аппаратах металлические детали иногда движутся в магнитном поле или неподвижные металлические детали пересекаются силовыми линиями изменяющегося по значению магнитного поля. В этих металлических деталях индуктируется э. д. с. самоиндукции. Под действием э. д. с. в массе металлической детали возбуждаются вихревые токи (токи Фуко), которые замыкаются в массе, образуя вихревые контуры токов.

Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые по закону Ленца противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его. Кроме того, они вызывают нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии.

Для уменьшения потерь от вихревых токов сердечники катушек индуктивности, а также магнитопроводы электрических машин и аппаратов изготовляют в виде пакетов из листов электротехнической стали. Листы изолируют друг от друга специальными лаками.