ТЕМА III
МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ АППАРАТЫ
Лекция 7. Основы теории магнетизма
Нагрузкой электрических цепей, в общем случае, являются электромагнитные устройства. Их работа основана на использовании электромагнитного поля.
К электромагнитным устройствам относятся трансформаторы, генераторы, электродвигатели, преобразователи, электроизмерительные приборы, реле, муфты и другие.
Разработанная теория магнитного поля позволяет не только понять механизм действия магнитного поля, но и рассчитать электромагнитные устройства. Рассмотрим ее основы.
Основные физические величины и соотношения
Основные физические величины, описывающие магнитное поле, известны из курса физики. К ним относятся: магнитная индукция, магнитный поток, намагниченность, напряженность магнитного поля, магнитная проницаемость.
Магнитная индукция В определяется силой, испытываемой единичным зарядом Q, движущимся в магнитном поле со скоростью V:
. (8.1)
Магнитная индукция измеряется в теслах [Тл].
Магнитный поток 
- это поток вектора магнитной индукции через площадь S:
. (8.2)
В однородном магнитном поле, перпендикулярном площади S, магнитный поток:
. (8.3)
Магнитный поток измеряется в веберах [Вб]:
.
Намагниченность есть магнитный момент единицы объема вещества:
, (8.4)
где 
- вектор магнитного момента элементарного контура:
.
Напряженность магнитного поля Н связана с магнитной индукцией В и намагниченностью М зависимостью:
, (8.5)
где 
- магнитная постоянная, причем:
Гн/м.
Намагниченность и напряженность магнитного поля измеряются в А / М.
Для ферромагнитных материалов:
, (8.6)
где 
- относительная магнитная проницаемость.
Воздействие магнитного поля бывает двух видов:
1. Индуктивное воздействие.
В этом случае в перемещаемом в магнитном поле проводнике возникает электродвижущая сила. Если же это поле переменное, то э.д.с. возникает в неподвижном проводнике.
2. Электромагнитное воздействие.
В этом случае на проводник с током в магнитном поле действует сила со стороны поля.
Характеристика магнитных свойств ферромагнитных материалов
Ферромагнитные материалы характеризуют зависимостью магнитной индукции от напряженности магнитного поля:
.
 | |||
 | |||
Эта зависимость устанавливается опытным путем. На рис. 8.1. приведено ферромагнитное кольцо с обмоткой в виде витков провода. Если увеличивать
ток в витках, то Н и В будут возрастать от нулевых значений по кривой начальной намагниченности (рис.8.2). Участок «оа » кривой есть начальная область, «аб » - область интенсивного намагничивания, «бв » - колено кривой, «вг » - участок насыщения, на котором намагниченность постоянная.
Отношение 
есть абсолютная магнитная проницаемость, причем
,
где 
- относительная магнитная проницаемость.
Относительная магнитная проницаемость 
зависит от Н и может изменяться от единиц до десятков тысяч. Она показывает, во сколько раз магнитная проницаемость материала больше магнитной проницаемости вакуума.
 |
Намагничивание сопровождается отставанием изменения
от 
. Это обусловлено внутренним трением между границами областей самопроизвольного намагничивания и потерей энергии. Поэтому при циклическом изменении Н зависимость В = f (H) приобретает вид петли гистерезиса (рис.8.3). На рисунке Вr - остаточная намагниченность, НС - коэрцитивная сила. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, выделяющейся в единице объема ферромагнитного материала за один цикл перемагничивания.
Ферромагнитные материалы бывают магнитотвердые и магнитомягкие. Магнитомягкие используются для изготовления магнитопроводов. К таким материалам относятся:
-технически чистое железо,
-листовая электротехническая сталь (железокремнистая),
-железоникелевые стали (пермаллой).
Кривые намагничивания этих материалов приведены на рис.8.4.
 |
График кривой намагничивания используется для выбора материалов при расчете электромагнитных устройств.
Магнитные цепи
Практическим результатом теории магнитного поля является математический аппарат и методы расчета электромагнитных устройств. Любое электромагнитное устройство состоит из намагничивающих элементов (катушек, постоянных магнитов) и магнитопровода. Расчет заключается в определении материалов и геометрических размеров магнитопровода, тока катушки, числа ее витков и ее размеров. Намагничивающая катушка создает магнитное поле в магнитопроводе и в окружающем пространстве. Так как 
ферромагнитных материалов много больше , то основная часть линий магнитного поля проходит по магнитопроводу.
Совокупность ферромагнитных тел и сред, по которым замыкается магнитный поток, называется магнитной цепью.
При анализе магнитных цепей допускаются следующие упрощения:
1.Магнитное поле изображается распределением магнитных силовых линий в магнитопроводе. Если поле равномерно распределено по сечению магнитопровода, то его изображают параллельными линиями.
2.Магнитная индукция и напряженность считаются равномерно распределенными по объему магнитопровода.
3.Магнитный поток считается сосредоточенным только в магнитопроводе.
Магнитные цепи делятся на однородные и неоднородные, разветвленные и неразветвленные. Однородная магнитная цепь приведена на рис.8.1. Это замкнутый магнитопровод с равномерной обмоткой. Каждый виток обмотки создает линии магнитной индукции, которые замыкаются по магнитопроводу. Совокупность витков создает общий магнитный поток.
На практике широко применяются неоднородные магнитные цепи. В таких цепях обмотка сосредоточена в одном месте, а магнитопровод имеет участки с
различной магнитной проницаемостью (рис. 8.5).
 |
С учетом перечисленных упрощений считается, что весь магнитный поток Ф проходит по магнитопроводу. Он постоянный как в ферромагнитном материале, так и в воздушном зазоре. Площадь воздушного зазора равна площади сечения ферромагнитного материала 
Поэтому и магнитная индукция В = Ф / S также постоянна. Однако напряженность магнитного поля Н в ферромагнитном материале и воздушном зазоре различна. Поэтому такая цепь называется неоднородной.
Примерами разветвленных магнитных цепей могут служить цепи электрических машин, трансформаторов, поляризованных реле.