Викладання матеріалу

Лекція № 12

РОЗДІЛ ІІ. магнітні кола

ТЕМА: Магнітні кола

МЕТА: Підготування до аналізу і розрахунку кіл змінного струму.

План

1. Класифікація магнітних речовин.
2. Величини, які характеризують магнітне поле.
3. Поняття магнітність – домен.
4. Характеристики феромагнітних матеріалів (гістерезис).
5. Втрати при намагнічуванні.
6. Магнітом’які та магнітотверді магнітні матеріали, магнітодіелектрики, ферити.
7. Закон повного струму.
8. МРС – магніторухаюча сила.
9. Різновиди магнітних кіл.
10. Роль матеріалів у магнітному колі.
11. Падіння магнітної напруги.
12. Застосування законів Кірхгофа до магнітних кіл.
13. Питання самоконтролю

1. Класифікація магнітних речовин.

Звичайно класифікують на:

- діамагнітні – послаблюють зовнішнє магнітне поле всередині себе, в наслідок виникнення проти моменту за законом ЛЕНЦА. Cu, Ag, Zn, Au.

- парамагнітні – посилюють магнітне поле всередині себе в наслідку збігу їх намагніченості зовнішнього магнітного поля (зовнішнє магнітне поле викликає ПЕРЕВАЖНУ орієнтацію магнітних моментів атомів в одному напрямку).

- феромагнітні – характеризуються різноманітної ступенем намагніченості. При цьому спостерігається модифікація їх лінійних розмінів - магнітострикція - стиск в напрямку намагніченості. Дані матеріали здатні намагнічуватися до насичення в відносно слабких полях.

- феррімагнітні – характеризуються високою магнітною сприйнятливістю, що залежить від напруженості магнітного поля і температури.

- антиферомагнітні - в яких нижче деякої температури t^oC (точка НЕЄЛЯ або антиферомагнітна точка КЮРІ) спонтанно виникає антипаралельна орієнтація магнітних моментів. При нагріванні даний матеріал зазнає фазовий перехід у парамагнітний стан.

1. Величини, що характеризують магнітне поле.

Магнітна індукція це векторна величина, яка визначається по силовому впливу магнітного поля на струм.

Намагніченість магнітний момент одиниці об’єму магнітної речовини в момент дії поля. Цей вектор співпадає по напряму напруженості магнітного поля.

Напруженість магнітного поля щільність генерації магнітної енергії.

Всі ці величини пов’язані між собою залежністю:

(1)

де постійна, яка описує магнітні властивості вакууму; напруженість поля та одиниця намагніченості,

Намагніченість:

(2)

де коефіцієнт функціонально залежний від .

Якщо позначити:

(3)

то:

(4)

де абсолютна магнітна пронизливість.

Магнітний потік:

(5)

де елемент поверхні крізь яку проходе магнітний потік ,.

1. Поняття магнітність – домен.

Процес намагнічування краще всього розглядати на прикладі природи феромагнітного стану речовини.

Магнітна властивість - скриті форми рухи електричних зарядів в атомі речовини:

Ø обертання електрона на орбіті атому;

Ø обертання електрона навкруги вісі свого руху (спін).

В тих випадках коли спини групи атомів паралельні і напрямок руху їхніх електронів в однаковому напрямку - то вони утворюють зону намагнічування - ДОМЕН, що володіє спонтанною (вільною) намагніченістю з утворенням вектору магнітної індукції В, спрямованого в простір. Цих областей безліч, а за відсутності зовнішніх енергетичних збурень їх магнітні моменти скомпенсовані в загальний нульовий момент.

Домени мають розміри 10^-3¸10 мм³. Між доменами спостерігаються області розміром у сотні атомних відстаней.

Процес намагнічування зводиться до:

Ø росту доменів в напрямку найменшого кута по відношенню до зовнішнього магнітного поля;

Ø зменшенню розмірів доменів, які мають інший напрямок В ніж зовнішнє поле;

Ø обертанню магнітних доменів в напрямку зовнішнього поля;

Ø і спрямуванню цих доменів вздовж поля.

1. Характеристики феромагнітних матеріалів (гістерезис)

Процеси намагнічування характеризуються кривими B і H. Явище запізнювання B по відношенню до H - гістерезис.

Основні точки кривої:

§ B_r - остатня магнітна індукція - кількість накопиченої магнітної енергії в матеріалу В наслідок перемагнічування;

§ H_С - коерцитивна сила - напруженість магнітного поля, яка руйнує (дезорієнтує) загальний магнітний момент в матеріалі (розмагнічуючи матеріал);

§ B_max - стан насичення - коли всі домени речовини повернуті вздовж дії магнітного поля.

В залежності від характеристик кривої матеріали поділяють на:

Br – min | |Br - max|

m- min |- МАГНІТОТВЕРДІ |m- max |- МАГНІТОМ'ЯКІ

Hc - max| |Hc - min|

Магнітом'які матеріали хімічно очищені від домішок і крупнозернисті по структурі.

До магнітотвеpдих матеріалів входять домішки у виді Co, Cr, W. З ними проводять гартування в орієнтованому магнітному полі для отримання магнітів.

1. Витрати при намагнічуванні.

В процесі перемагнічування у магнітному матеріалі виникають витрати енергії на:

§ гістерезис;

§ вихрові струми;

§ магнітну післядію.

Витрати на гістерезис - виникають в наслідок перемагнічування за один цикл (період зміни напрямку поля). Емпірична формула енергії витрат:

Эг=n*Bmaxh,

(6)

де n – коефіцієнт, який характеризує властивості матеріалу; h=1,6¸2 - показник ступеня, що приймає значення в залежності від B_max; B_max - максимальна індукція в розглянутому циклі перемагнічування.

Емпірична формула потужності, обумовленої витратами на гістерезис:

Рг=n*Bmax*h*f*V,

(7)

де f - частота поля, Гц; V - одиниця обсягу на яку впливає поле.

Динамічні витрати на вихрові струми. Емпірична формула потужності, яка обумовлена витратами на вихрові струми:

Рт=ЭГ*f*V=$*f^2*B^2max*V,

(8)

де: $ - коефіцієнт, пропорційний питомій провідності речовини. Він що залежить від геометричної форми і розмірів поперечного перетину намагніченого зразка.

Магнітна післядія - викликає витрати в зв’язку з відставанням магнітної індукції від зміни напруженості магнітного поля. Спад намагніченості після вимикання магнітного поля відбувається не миттєво, а з течею деякого проміжку часу (від частки милі-секунди до декількох хвилин). Час стабільного магнітного стану зростає при підвищенні температури. Причина такої поведінки матеріалу міститься в термальний енергії, яка допомагає слабо закріпленим межам доменів переборювати енергетичні перепони, що заважають їх вільному зміщенню при зміні напряму поля - по аналогії з діелектриками це нагадує релаксаційну поляризацію.

1. Магнітом’які та магнітотверді магнітні матеріали, магнітодіелектрики, ферити.

Магнітодіелектрики – матеріали в яких речовина не насичується, а працює в інтервалі параметра , завдяки технології спікання, у якій феромагнітна частинка покрита плівкою з діелектрика, який не дозволяє зробити повне обертання.

Ферити – матеріали які насичуються і можуть мати різні властивості. Вони можуть бути магнітом’якими та магнітотвердими.

Магнітом’які виготовляють з оксидів Fe+Mn+Zn, або Fe+Ni+Zn, .

Магнітотверді виготовляють з фериту барію

1. Закон повного струму

Кількісний зв’язок між векторами напруженості магнітного поля та алгебраїчною сумою струмів вздовж будь-якого контуру визначається законом повного струму:

(9)

Позитивний напрям інтегрування пов’язаний з позитивним спрямуванням струму за правилом правого гвинта. Як що контур інтегрування буде пронизувати котушку з числом витків , по яким йде струм , то та

Закон повного струму також є дослідним законом, тобто його можливо перевірити виміром за допомогою спеціального пристрою – магнітного поясу.

1. МРС – магніторухаюча сила

Магніторухаюча (намагнічуюча) сила (НС, МРС) – котушки або обмотування зі струмом називають добутком числа витків котушки на величину текучого по ній струму .

МРС визиває магнітний потік у магнітному колі, позитивний напрям якого співпадає зі стрижнем правого гвинта. Для визначення позитивного напряму МРС застосовують мнемонічне правило: якщо осердя охватити правою рукою так, щоб пальці були спрямовані за струмом в витках обмотки, то відігнутий великий палець покаже напрям МРС.

1. Різновиди магнітних кіл

У загальному випадку магнітним колом називають сукупність котушок зі струмом, феромагнітних тіл або інших середовищ, по яких замикається магнітний потік. Кола можуть бути локальні чи розгорнуті. Приклад нерозгорнутого кола представлено на рис.2.

Розгорнуті кола поділяються на симетричні і несиметричні. Магнітне коло рис.3 симетрично: у неї якщо дві частини її, ліворуч та праворуч, однакові в геометричному відношенні та виготовлені з одного матеріалу .

Якщо зробити , або змінити напрям одного з обмотувань, або створити повітряний зазор (рис.2) в одному зі стрижнів магнітопроводу, щоб магнітне коло (рис.3) стало несиметричним, де .

1. Роль матеріалів у магнітному колі.

Конструювання магнітних приладів вимагає отримання найбільшого магнітного потоку. Якщо в магнітне коло входить магнітний матеріал, то потік в його гілках, при однаковій МРС і геометрії, у багато разів більше, ніж при відсутності цього матеріалу.

Якщо порівняти в якості матеріалу осердя деревину та сталь, то потік в досліджуваному осерді різниться у 2550 разів. Тому феромагнітні матеріали вводять до магнітного кола для зосередження магнітного поля у необхідній області і придання цій області необхідної конфігурації.

1. Падіння магнітної напруги.

Падіння магнітної напруги – це лінійний інтеграл від напруженості магнітного поля між точками a і b магнітного кола.

(10)

Якщо на цій ланці () і співпадає по напряму з елементом шляху , то , тоді можна винести за інтеграл і тоді:

(11)

де довжина шляху між точками .

Одиниця падіння магнітної напруги – ампер (А).

При умові, якщо шлях поділяється на де кілько частин так, що в кожній частині , то:

(12)

1. Застосування законів Кірхгофа до магнітних кіл

При розрахунку магнітних кіл застосовують перший та другий закони Кірхгофа.

Перший закон Кірхгофа:

- Алгебраїчна сума магнітних потоків в будь-якому вузлі магнітного кола дорівнює нулю:

(13)

Цей закон витікає з принципу безперервності магнітного потоку.

Другий закон Кірхгофа:

- Алгебраїчна сума падіння магнітної напруги вздовж будь-якого замкнутого контуру дорівнює алгебраїчній сумі МРС вздовж того-ж контуру.

(14)

Перед записом рівняння за законами Кірхгофа для кола необхідно:

- вільно вибрати позитивний напрям потоків у гілках;

- позитивний напрям обходу контурів;

- якщо напрям магнітного потоку співпадає з напрямом обходу контуру то падіння магнітної напруги цієї ланки входить в суму зі знаком плюс +, якщо зустрічно, навпаки, знак мінус -;

- Аналогічно, якщо МРС співпадає з напрямом обходу вона входить у із знаком плюс +, якщо зустрічно, навпаки, мінус –.

1. Питання самоконтролю:

• Що таке діамагнітні речовини?
• Що таке парамагнітні речовини?
• Що таке феромагнітні речовини?
• Що таке феррімагнітні речовини?
• Що таке антиферомагнітні речовини?
• Що таке магнітна індукція ?
• Що таке намагніченість речовини?
• Що таке напруженість магнітного полю ?
• Що таке магнітний потік у речовині?
• Що таке магнітний домен?
• Які скриті форми руху електричних зарядів протікають у атомі речорини?
• Описати процес намагнічування речовини?
• Дати пояснення B_r - остатній магнітної індукції?
• Дати пояснення H_С - коерцитивній силі?
• Дати пояснення B_max - стану насичення речовини?
• Дати пояснення витрати енергії, що виникають у речовині?
• Сформулювати закон повного струму та дати його математичне описання?
• Пояснити що таке МРС – магніторухаюча сила?
• Дати класифікацію видів магнітних кіл.
• Що таке магнітна напруга?

Дата добавления: 2014-01-05