Вопрос №3. Свойства ферромагнетиков (15 мин.)

Если переменное МП, созданное током одной катушки, пересекает витки другой катушки, и, наоборот, на зажимах последней катушки возникает ЭДС взаимоиндукции.

Взаимоиндукция

Индуктивность характеризует свойство электрической цепи образовывать потокосцепление при прохождении тока и создавать магнитное поле.

ЭДС самоиндукции возникает в любой электрически замкнутой цепи, если в ней изменяется ток, и связана с потокосцеплением соотношением:

Еще одним проявлением явления ЭДС электромагнитной индукции является явление взаимоиндукции. Суть его заключается в следующем:

Явление взаимоиндукции наблюдается между близко расположенными катушками. Сущность взаимоиндукции заключается в переносе электрической энергии из одной цепи в другую посредством общего магнитного поля: в одном из контуров электрическая энергия преобразуется в энергию магнитного поля, в другом контуре происходит обратный переход энергии магнитного поля в электрическую энергию. Из сказанного следует, что магнитное поле является переносчиком электрической энергии из одной цепи в другую.

Рис. 6

Найдем выражение для ЭДС взаимоиндукции, ко­торая индуцируется в катушках w₁ и w ₂ (рис. 6). Например, ток i₁, проходящий через катушку w₁, создает маг­нитное поле Ф₁, часть которого сцеплена с витками катушки w₂, и потокосцепление взаимоиндукции: ψ₁₂ = w₂Ф₁₂. При изменении тока i₁ будет изменяться Ф₁₂ и, следовательно, в катушке w₂ будет наводиться ЭДС взаимоиндукции. Со­ответственно ток i₂ катушки w₂ созда­ет потокосцепление взаимоиндукции ψ₂₁ = w₁Ф₂₁.

Ф₁₂ и Ф_2,1 – МП взаимоиндук­ции, пропорциональные токам, их создающим. Тогда потокосцепление взаимоиндукции про­порциональны этим токам:

,.

Коэффициенты пропорциональности M₁₂ и М₂₁ – взаимные иидуктивности.

Если катушки не содержат ферромагнитных сердечников M₁₂ = М₂₁ =М.

Взаимная индуктивность М зависит от числа вит­ков катушек, их размеров и взаимного расположения, а также от магнитных свойств среды.

Единица взаимной индуктивности М — генри (Гн). ЭДС взаимоиндукции определяется по формулам:

;.

Явление взаимоиндукции применяется в трансформаторах для трансформации электроэнергии одного напряжения в другое. Однако это явление может проявлять себя и как вредное.

Вывод по второму вопросу: явления самоиндукции и взаимоиндукции являются проявлениями закона ЭДС электромагнитной индукции.Они имеют большое практическое значение.

Давайте вспомним, какие бывают материалы и среды в зависимости от их магнитных свойств: парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики. Рассмотрим более подробно последний тип.

Ферромагнетики – материалы, обладающие большой магнитной про­ницаемостью. К ним относятся железо, никель, кобальт, чугун и их сплавы. Оказавшись во внешнем магнитном поле, эти матери­алы значительно усиливают его.

Ферромагнитные материалы имеют области самопроизвольного намагничивания (магнитные поля электронов параллельно ориентированы в одну сторону) и называются они доменами. Магнитное состояние каждой из таких областей характеризуется вектором намагниченности. Вне внешнего магнитного поля векторы намагниченности отдельных областей в ферромагнитном кристалле (доменов) ориентированы случайным образом. Поэтому намагниченность ферромагнитных материалов в отсутствие внешнего магнитного поля отсутствует.

Если ферромагнитное тело поместить во внешнее магнитное поле, то под его воздействием векторы намагниченности доменов будут ориентироваться в направлении внешнего МП. Результирующее значение магнитной индукции будет складываться из МИ внешнего МП и МИ отдельных доменов. В результате суммарное МП значительно превысит внешнее МП (рис. 7).

Рис. 7

При намагничивании ферромагнетиков происходит и небольшое изменение их линейных размеров, т.е. увеличение или уменьшение длины с одновременным увеличением или уменьшением поперечного сечения. Это явление называется магнитострикцией.

Ферромагнитные свойства вещества могут исчезнуть при сильном нагревании образца. Беспорядочное тепловое движение атомов увеличивается настолько, что упорядоченная доменная структура разрушается6 материал становится парамагнетиком. Происходит это при так называемой температуре Кюри, названной в честь французского ученого Пьера Кюри, открывшего в 1894 г. это явление и измерившего критическую температуру железа: Тк=768°С.

Зависимость собственной индукции ферромагнетика от индукции внешнего поля ха­рактеризуется кривой намагничивания.

Рассмотрим процесс намагничивания ферромагнитного сердечни­ка, помещенного в катушку с током (рис. 8).

Предположим сначала, что сердечник отсутствует. Тогда при увеличении тока в катушке магнитная ин­дукция меняется по линейному закону, так как.

Теперь будем полагать, что катушка имеет сердеч­ник, который в исходном состоянии размагничен. По мере увеличения тока в катушке магнитная индук­ция вначале изменяется по линейному закону (участок 0–а кривой намагничивания). На участке а-б в сердечнике быстро возрастает. Это объясняется ориентацией векторов намагниченности ферромагнит­ного сердечника. На участке 0-б происходит обратимый поворот доменов в направлении внешнего магнитного поля. Это означает, что при отключении внешнего магнитного поля доменная струткура ферромагнетика восстанавливается. На участке б-в в более сильном магнитном поле поворот и рост доменов становится необратим. Начиная с некоторого значения (точка в) наступает магнитное насыщение, т.е. при некотором значении напряженности поля все домены (области) сориентированы и при дальнейшем увели­чении тока в катушке индукция поля растет так же, как она росла бы при отсутствии сердечника.

Рис. 8. Кривая намагничивания железа

Циклическое перемагничивание. Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетиков.

Если через катушку пропускать ток, меняющий свое направление, то сердечник будет перемагничиваться. Рассмотрим этот процесс (рис. 9). При увеличении тока в катушке магнитная индукция возрастает до индукции насыщения (точка а). При уменьшении тока магнитная индукция снижается но так, что при тех же значениях Н она оказывается больше значений магнитной индукции, соответствующих увеличению тока. Это объясняется тем, что часть доменов еще сохраняет свою ориентацию. Таким^; образом, при Н=0 в сердечнике сохраняется магнит­ное поле, характеризуемое остаточной индукцией В_Г (точка b).

Рис. 9. К описанию процесса циклического перемагничивания

При увеличении тока в противополож­ном направлении МП катушки компенси­рует МП, созданное доменами сердечника. При напряженности поля Н_С (точка с),_: которая назы­вается коэрцитивной силой, результирующая магнитная индукция окажется равной нулю.

Дальней­шее увеличение тока в катушке вызовет перемагничивание сердечника, т. е. поворот векторов намагни­ченности на 180°. При некотором значении Н (точ­ка d)сердечник снова будет насыщаться. При умень­шении тока в катушке до нуля индукция будет умень­шаться до остаточной индукции (точка е). Увеличение тока в положительном направлении вызовет намагни­чивание сердечника до исходного состояния (точка а).

Полученную кривую называют петлей гистерезиса (запаздывания). Участок О_а характери­стики намагничивания называют основной кри­вой намагничивания.

Наибольшая замкнутая петля, которая может быть получена для данного ферромагнитного материала, называется предельной петлей гистерезиса (рис. 10).

Рис. 10

Процесс перемагничивания связан с затратами энергии, которая превращаясь в тепло, вызвает нагрев ферромагнитного материала. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной на одно перемагничивание. Энергия, затраченная на процесс перемагничивания, называется потерями от гистерезиса.

В зависимости от вида петли гистерезиса ферромагнитные материалы подразделяют на магнитомягкие (железо, некоторые виды стали) (обладающие круто поднимающейся основной кривой намагничивания и относительно малыми площадями гистерезисных петель) и магнитотвердые (магнико, альника) (характеризующиеся пологостью основной кривой намагничивания и большой площадью гистерезисной петли) (рис. 11).

Рис. 11. Гистерезисные петли магнитомягких и магнитотвердых материалов: а и б – магнитотвердые; в – магнитомягкие

Магнитомягкие материалы используются в магнитных цепях, где необходимо быстрое постоянное перемагничивание, т.е. в магнитопроводах траснформаторов, электродвигателей.

Магнитотвердые вещества применяются для изготовления постоянных магнитов. А также они нашли широкое применение для изготовления памяти компьютеров, магнитных лент, видеомагнитофонов, кредитных карточек.

Вывод по третьему вопросу: ферромагнетики получили большое распространение в электротехнических устройств из-за своих улучшенных свойств по усилению внешнего магнитного поля. Процессы, происходящие в них, описываются кривой намагничивания и петлей гистерезиса. Различают магнитомягкие и магнитотвердые ферромагнитные материалы.

Вопрос №4. Классификация магнитных цепей (10 мин.)

Магнитопровод – это элемент магнитной цепи для локализации магнитного потока, изготовленный из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Магнитопровод выполняет две функции: он составляет магнитную цепь, по которой замыкается МП, и, как правило, служит основой для установки и крепления обмоток (рис. 12).

Рис. 12. Магнитопровод стержневого типа с обмотками

трехфазного трансформатора

Необходимо сказать о следующем явлении, которое возникает в магнитопроводах. Магнитопровод, как правило, представляет из себя металлический брусок. Магнитопровод, находящийся в изменяющемся магнитном поле, пересекают линии этого поля и в поперечном сечении металлических брусков, из которых он состоит индуктируются электрические токи, носящие название вихревых или токов Фук, чем больше сечение проводников, тем меньше их электрическое сопротивление и тем большие вихревые токи в них возникают и нагревают эти проводники, вызывая существенные потери электроэнергии. Так как возникновение этих токов является следствием ЭДС ЭМИ, то согласно правилу Ленца, они противодействуют причине, их вызывающей, в частности, ослабляя внешнее поле, возбуждающее их.

В большинстве устройств возникновение токов Фуко нежелательно и их уменьшают путем повышения сопротивления тех проводников, в которых они возникают. Достигается это введением в состав материалов специальных примесей. Кроме того, магнитопроводы электрооборудования, подвергающегося постоянному перемагничиванию, выполняют из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга (рис. 13).

Рис. 13

В некоторых устройствах токи Фуко, наоборот, желательны, например, на использовании вихревых токов основана работа индукционных электрических печей для плавки металлов и индукционных измерительных приборов.

Магнитная цепь (МЦ) – это совокупность устройств, содержащих ферромагнит­ные тела и воздушные зазоры, и образующих замкнутую цепь, в которой при наличии МДС образуется МП, и вдоль которой замыкаются линии маг­нитной индукции.

Примеры: сердечники (магнитопроводы) транс­форматоров, магнитных усилителей, электрических машин и т. д.

Существует следующая классификация МЦ (рис. 14,15).

МЦ

Однородные: выполнена из одного и того же материала и имеет по всей длине одинаковое сечение

Неоднородные: отдельные участки цепи изготов­лены из различных ферромагнитных материалов и имеют различные длины и сечения

Разветвленные

Неразветвленные

Симметричные: правая и левая части МЦ имеют одинаковые размеры, выполнены из одного и того же мате­риала и их МДС одинаковы

Несимметричные

Рис. 14. Классификация магнитных цепей

Рис. 15. Виды магнитных цепей

Вывод по четвертому вопросу: магнитные цепи – это устройства с ферромагнитными телами, предназначенные для создания, концентрации и хранения магнитного поля в их объемах.

Дата добавления: 2014-01-20