Как уже в прошлой лекции мы определили, что все вещества с точки зрения магнитного поля делятся диамагнитные (µr <1) (вода, водород, кварц, серебро, медь и т.д.), парамагнитные (µr >1) (алюминий, кислород, воздух т.д.) и ферромагнитные (µr >>1) (железо, никель, кобальт и некоторые их сплавы).
Особое значение в технике имеют ферромагнетики, которые имеют µr >>1.
Некоторые виды электромагнитных устройств приведены на рис.17.
Рис. 17. Виды электромагнитных устройств.
На рис.17.а изображён тороидальный трансформатор, на рис. 17.б электромагнит, а на рис.17.в измерительный прибор магнитоэлектрической системы. Во всех устройствах имеются катушки, по которым пропускается электрический ток и стальной (ферромагнитный) сердечник.
Суть работы ферромагнитных материалов заключается в следующем. Как мы помним, атомы состоят из протонов и вращающихся вокруг них электронов. Движущийся заряд – электрон – это и есть электрический ток. Магнитное поле одного атома очень мало и оно называется орбитальным моментом. А вращение электрона вокруг своей оси – спиновым моментом. Но несколько атомов, в которых спиновые моменты направлены в одну сторону образуют домены. Пока магнитные поля доменов направлены хаотично в разные стороны, то тело не будет обладать выраженным магнетизмом. Но если поместить такое тело в магнитное поле, то хаотично направленные домены начнут приобретать одинаковую направленность, и суммарное магнитное поле будет увеличиваться.
Рис. 18. Петли гистерезиса.
Для рассмотрения вопроса влияния сердечника работу на работу катушки при создании магнитного поля. Если взять только тороидальную (кольцевую) катушку без сердечника и пропустить по обмотке постоянный ток величиной I, то
H= I·w/(2·π·r);
B =µa ·H= µa·I·w/(2·π·r)= µ0· µr ·I·w/(2·π·r);
Ф =B/S= µ0· µr ·I·w/(2·π·r·S).
Анализируя выше приведённые выражения можно сделать следующие выводы:
H – напряжённость магнитного поля зависит от тока протекающего по катушке её радиуса и количества витков. Все эти величины, кроме тока I, в ходе анализа мы изменять не будем. Поэтому H=f(I).
B – магнитная индукция зависит не только от напряжённости магнитного поля, то есть от тока I, но и от абсолютной магнитной проницаемости окружающей среды µa= µ0·µr. Магнитная проницаемость вакуума µ0= 4·π·10-7, то есть постоянная. Относительная магнитная проницаемость µr зависит от материала сердечника и здесь у нас два варианта. Первый, роль сердечника выполняет воздух µr= 1 и второй – сердечником является стальное кольцо µr>> 1 и меняется по величине в зависимости от магнитного потока (об этом узнаем чуть позже).
Ф – магнитный поток зависит от магнитной индукции и площади кольцевого сердечника по которому он будет распространяться. В эксперименте площадь сердечника будет неизменной, поэтому можносчитать, что Ф=f(B)= f(µr, I).
Начнём анализ.
1. В качестве сердечника воздух. В этом случае магнитная индукция B = f(I). будет зависеть только от I и по величине будет мала. График зависимости магнитной индукции от напряжённости магнитного поля будет прямой линией, проходящее по некоторым углом к оси абсцисс (см. рис.18.г).
2. Катушка намотана на стальном сердечнике. Пока тока в катушке нет, то магнитная индукция сердечника равна «0» (см. Рис. 18.а), так как все домены направлены хаотично. При увеличении электрического тока возникает напряжённость магнитного поля, и домены начинают поворачиваться в сторону поля. При малой напряжённости таких доменов не много, так как поле не велико и не может пересилить поля всех доменов. С увеличением тока количество доменов растёт, растёт и магнитная индукция поля, причём пропорционально напряжённости магнитного поля. При некоторой величине электрического тока большинство доменов уже повернулось, и магнитная индукция, хотя ещё и продолжает расти, но уже не пропорционально напряжённости магнитного поля. И, наконец, наступает такая напряжённость магнитного поля (такой ток), при которой рост индукции прекращается, как бы мы не увеличивали ток, наступает магнитное насыщение B=Bmax. Эта кривая называется кривой первоначального намагничивания (на рис.18.а показана штриховой линией). При снижении величины электрического тока, а, следовательно, и напряжённости магнитного поля, магнитная индукция начнёт уменьшаться, но с некоторым запозданием. Здесь сказывается инерционность спиновых моментов. Поэтому при величине тока равной «0» магнитная индукция будет иметь определённую не равную нулю величину B=Br. Эта индукция называется остаточной индукцией -. При перемене направления электрического тока в катушке магнитная индукция будет дальше уменьшаться, так как всё большая часть доменов будут поворачиваться в противоположную сторону. При определённой величине H=f(I) магнитная индукция B станет равной нулю, а затем, изменив знак, вновь начнёт увеличиваться и всё повторится вновь. Величина напряжённости магнитного поля H=Hс при которой магнитная индукция B= 0 называется (задерживающей) коэрцитивной силой.
Явление запаздывания какого-либо процесса называется гистерезисом. А полученная кривая зависимости B= f(H) называется петлёй гистерезиса. Для различных ферромагнетиков петли гистерезиса имеют различную форму.
Узкая пологая петля гистерезиса - материал с большими потерями.
Узкая крутая петля гистерезиса - (например, см. рис.18.в) материал с малыми потерями и высокой начальной индукцией Br и большим µr.
Широкая крутая петля гистерезиса - (например, см. рис.18.б) материал с большой коэрцитивной силой, хорошо сохраняет намагниченность и легко перемагничивается – использовался магнитных ячейках памяти.
Широкая пологая петля гистерезиса - материал с большой коэрцитивной силой, используется при производстве постоянных магнитов.
Материалы с узкой и крутой петлёй гистерезиса (малая коэрцитивная сила и большая начальная индукция) называются магнитомягкими материалами. Они нашли широкое применение в различных магниточувствительных устройствах. К таким материалам относятся: электротехническая сталь, чугун, пермаллой, карбонильные сердечники, магнитомягкие ферриты и т.д.
Материалы с широкая пологая петля гистерезиса называются магнитотвёрдыми материалами и используется при производстве постоянных магнитов, например, закалённая сталь, альнико, аьниси, магнико, магнитотвёрдые ферриты.
Законы магнитной цепи
Устройства, содержащие сердечники из ферромагнетиков, через которые замыкается магнитный поток, называются магнитной цепью. Магнитные цепи аналогично обычным электрическим цепям бывают замкнутые, разомкнутые, неразветвлённые и разветвлённые.
Рис. 19. Неразветвлённая и разветвлённая магнитные цепи.
На рис.19.а показана не развлетвлённая магнитная цепь. В этом сердечнике магнитный поток идёт по замкнутому контуру, нигде не разветвляясь. В сердечнике рис.19.б магнитный потоке точке А делится на два потока и в точке Г вновь собирается в один поток – это разветвлённая магнитная цепь.
Рассмотрим не развлетвлённую магнитную цепь (см. рис. 19.а). Эту цепь можно разбить на три участка. Два участка с длинами l1 и l2 образованы стальным сердечником, а третий l3 представляет собой воздушный зазор. В этой цепи под действием постоянного тока в обмотке с числом витков w возникает магнитный поток Ф. Так как это поток нигде на разветвляется то на всех участках цепи он одинаков, то есть можно зависать Фl1 =Ф l2 =Ф l3. По закону полного тока составим уравнение I·w= H1·l1 + H2·l2 + H3·l3. Выразим H через величину магнитного потока Ф. Зная, что H=B/µа; B=Ф/S, тогда H= Ф/(S µа ·S).
Подставим I·w= Ф·l1/(µа1·S1)+ Ф·l2/(µа2·S2)+ Ф·l3/(µа3·S3)= Ф(l1/(µа1·S1)+l2/(µа2·S2)+ l3/(µа3·S3))=Ф(Rм1+Rм3+Rм3). Величина Rм=l/(µа·S) называется магнитным сопротивлением и тогда магнитный поток Ф= I·w/(Rм1+ Rм3+ Rм3).
Таким образом магнитный поток прямо пропорционален магнитодвижущей силе и обратно пропорционален магнитному сопротивлению цепи.
В магнитных цепях очень много похожего с обычной электрической цепью, поэтому здесь применяются также законы Кирхгофа.
Первый закон Кирхгофа для магнитных цепей: сумма магнитных потоков в узле магнитной цепи равна нулю.
Согласно этому закону для магнитной цепи см. рис.19.б Ф2-Ф1-Ф3 =0
Второй закон Кирхгофа для магнитных цепей: в контуре магнитной цепи в контуре магнитной цепиалгебраическая сумма магнитодвижущих сил равна алгебраической сумме магнитных напряжений на отдельных участках.