Лабораторные работы по электротехнике

Напряженность магнитного поля. Напряженность магнитного поля Н - векторная величина, характеризующая магнитное поле токов и не зависящая от свойств среды. По определению (3), напряженность магнитного поля вычисляется по формуле:

Н = В/μ0μr = В/µа (7)

Так как магнитная индукция измеряется в теслах (Тл), магнитная постоянная в генри на метр (dim [μ0]= [Гн L-1]), то одна единица измерения напряженности магнитного поля равна: 1Тл м/Гн,

Учитывая, что 1Тл м2 = 1 Вб и 1 Вб/Гн = 1 А, выражение 1Тл м/Гн можно преобразовать следующим образом:

Следовательно, единицей измерений напряженности магнитного поля является «ампер на метр» (А/м).

«Ампер на метр» - напряженность такого магнитного поля, индукция которого в вакууме равна 4π 10-7 Тл. Размерность напряженности магнитного поля определяется по формуле:

dim [Н] = [I L-1]

7.1.5 Намагниченность (интенсивность намагничивания, вектор намагничевания). Намагниченность J - векторная величина, численно равная отношению магнитного момента тела к его объему.

В случае равномерного намагничевания вещества намагниченность определяется по формуле:

J = рт V , (8)

где рт - магнитный момент, которым обладает объем V. Положив в этой формуле рт = 1А м2, V= 1 м3, получим, что одна единица измерения намагниченности равна:

Эта единица называется «ампер на метр». «Ампер на метр» (А/м) - намагниченность, при которой 1 м3 вещества обладает магнитным моментом 1А м2. Размерность намагниченности определяется по формуле:

dim [J ] = [I L-1]

7.1.6 Гистерезис. Индукция магнитного поля внутри длинного соленоида или тора прямо пропорциональна силе тока в катушке / 2 ,8, 9,12 /.

Если в катушку поместить сердечник из железа или другого ферромагнитного материала, то индукция магнитного поля может возрасти в сотни и даже тысячи раз. Это произойдет из-за того, что под действием внешнего магнитного поля домены в ферромагнетике выстроятся, ориентируясь по внешнему магнитному полю, и изменят границы. Домены, ориентация которых соответствовала внешнему магнитному полю, увеличатся в размерах за счет доменов ориентированных в других направлениях рисунок 7.2. Результирующая индукция магнитного поля В будет равна сумме индукций магнитного поля тока в катушке В0 и индукции магнитного поля железного сердечника ВМ.

В = В0 + ВМ , (9)

где В0 - индукция магнитного поля тока в катушке («внешнее поле»): она совпадает со значением индукции в отсутствие ферромагнитного сердечника. Величина Вм учитывает дополнительное поле, создаваемое ферромагнитными материалами, помещенными в катушку; как правило ВМ гораздо больше» В0.

При наличии сердечника отношение полной индукции магнитного поля к индукции внешнего магнитного поля равно:

km = В/В0 , (10)

где km называется относительной магнитной проницаемостью вещества. Для облегчения расчетов вводят величину магнитной проницаемости: μ= Kmμ0 (не следует путать с магнитным дипольным моментом). Полная индукция магнитного поля внутри тора может быть представлена в виде:

В = μ0 kmnI = μ nI, (11)

где n - плотность намотки витков катушки (число витков на единицу длинны).

Для неферромагнитных материалов величины μ и km постоянны, если индукция поля Во не слишком велика. Магнитная проницаемость μ мало отличается от магнитной постоянной μ0 (магнитной проницаемости вакуума), а значение km близко к единице.

Для ферромагнитных материалов относительной магнитная проницаемость km››1, и магнитная проницаемость μ может быть гораздо больше, чем магнитная постоянная μ0. Кроме того, магнитная проницаемость μ и относительной магнитная проницаемость km не будут иметь постоянные значения. Они нелинейно зависят от индукции (напряжённости) внешнего магнитного поля.


Рассмотрим пример рис 7.3.

Рисунок 7.3. Теоретическая кривая намагничивания ОА и петля

гистерезиса АБСДЕЖА

Пусть железный сердечник катушки вначале не намагничен, и ток в катушке отсутствует. Начнем постепенно увеличивать силу тока I. Напряжённость магнитного поля Н будет нарастать пропорционально силе тока I (напряженности магнитного поля). Магнитная индукция В также возрастает, но не линейно, а в соответствии с кривой ОА, показанной на рис.7.3.

Вначале (точка О) домены неупорядочены. По мере возрастания напряжённости магнитного поля домены упорядочиваются все больше и больше, и в точке А практически все домены упорядочены.

Материал сердечника достигает насыщения. Точка А на графике соответствует примерно 70% полного насыщения; затем магнитная индукция продолжает расти, но крайне медленно. Чтобы добиться 98%-ного насыщения, нужно увеличить напряженность магнитного поля (индукцию внешнего поля) еще примерно в 100 - 1000 раз (в зависимости от материала) по сравнению со значением в точке А. Последние домены выстраиваются с большим трудом.

Если уменьшать напряженность магнитного поля Н, уменьшая силу тока в обмотке до нуля (точка Б на рисунке 7.3), то домены в ферромагнетике окажутся не полностью разупорядоченными, и сердечник сохранит постоянный магнетизм.

Если изменить направление тока в обмотке(направление напряженности магнитного поля), то к точке С достаточное количество доменов будет переориентировано, так что В = 0. При дальнейшем увеличении тока материал сердечника достигнет насыщения в противоположном направлении (точка Д).

Если теперь вновь уменьшить ток до нуля, а затем увеличить в противоположном направлении, то полная индукция будет меняться в соответствии с кривой ДЕЖА, пока не достигнет насыщения в точке А.

В этом цикле кривые индукции не проходят через начало координат (точка О). Это явление, состоящее в зависимости пути от направления (отставание изменения магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля) называется гистерезисом, а кривая АБСДЕЖА петлей гистерезиса. В подобном цикле большое количество энергии переходит в тепло (из-за трения при переориентации доменов); можно показать, что потери энергии пропорциональны площади петли гистерезиса.

В точках Б и Е железный сердечник намагничен, хотя ток через обмотку отсутствует; эти точки соответствуют его состоянию как постоянному магниту. Для постоянного магнита важно, чтобы величина магнитной индукции Вr - отрезок ОБ (или ОЕ, рисунок 7.3) была как можно больше; такие материалы обладающие большой остаточной намагниченностью называются «магнитно-жесткими»


У «магнитно-мягких» материалов петля гистерезиса имеет вид, показанный на рисунке 7.4.

Рисунок 7.4. Петля гистерезиса для магнитно-мягкого железа

Из магнитно-мягких материалов изготовляются электромагниты (которые представляют собой соленоид с железным сердечником или тор с воздушным зазором и предназначены для получения очень сильных магнитных полей), поскольку в этом случае легче получить нулевую индукцию и меньше потери энергии на перемагничивание. «Мягкость» или «жесткость» железа зависит от компонент сплава, его термической обработки и других факторов.

Чтобы размагнитить предмет, т.е. сделать его не намагниченным необходимо периодически изменяя направление намагничивающего тока, постепенно уменьшать его силу. Такой процесс описывается кривой, показанной на рисунке 7.5.


 


Рисунок 7.5. Изменение петель гистерезиса при размагничивании

образца.

Если необходимо размагнитить образец (железный сердечник) его помещаю внутрь катушки через которую пропускают намагничивающий ток периодически изменяя его направление через катушку.

Лабораторные работы по электротехнике и физике