БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Блог судового электромеханика. Электроника, электромеханика и автоматика на судне. Обучение и практика. В помощь студентам и специалистам
26.01.2013
Магнитный поток. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость
Произведение магнитной индукции на величину площадки, перпендикулярной направлению поля, называется магнитным потоком через данную площадку.
Магнитный поток через площадку можно рассматривать как совокупность магнитных линий, пронизывающих всю площадку, расположенную перпендикулярно направлению магнитного поля.
Магнитный поток обозначается буквой Ф и вычисляется по формуле: Ф = B * S, где В — магнитная индукция; S — площадь площадки.
В качестве единицы магнитного потока принят вебер (обозначение вб).
Магнитную индукцию можно представить произведением двух сомножителей, один из которых μ — магнитная проницаемость, зависит от физических свойств тела, а второй H — напряженность магнитного поля от величины и расположения электрических токов, создающих это поле, B = μ * H.
Количественная связь между электрическим током и напряженностью окружающего его магнитного поля определяется законом полного тока.
Рассмотрим магнитное поле, образованное кольцевой катушкой, имеющей w витков, равномерно распределенных по всей длине сердечника (рис. 1).
Проведем замкнутый контур, совпадающий с магнитной линией в сердечнике. Поверхность, ограниченная этим контуром, пронизывается w витками. В каждом витке течет ток, равный I.
Полный ток, пронизывающий контур, равен произведению силы тока на число витков.
Вследствие осевой симметрии катушки напряженность поля во всех точках контура имеет одинаковое значение.
В этом случае закон полного тока выражается следующими соотношениями:
где l — длина всего замкнутого контура.
Произведение напряженности магнитного поля на всю длину замкнутого контура, совпадающего с магнитной линией, равно полному току, пронизывающему контур.
Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (обозначение а/м).
Закон полного тока лежит в основе расчетов магнитных цепей электрических машин.
Магнитная проницаемость определяется формулой:
Тела, у которых μ меньше единицы (например, медь), называются диамагнитными.
Тела, у которых μ больше единицы (например, воздух), называются парамагнитными.
Магнитная проницаемость диамагнитных и парамагнитных веществ очень близка к единице.
Особую группу составляют так называемые ферромагнитные вещества. Основными ее представителями являются железо, никель, кобальт и их сплавы.
Магнитная проницаемость ферромагнитных тел очень велика, поэтому все электромагниты снабжаются сердечниками из ферромагнитных материалов. При незначительном токе в обмотках в таких сердечниках возникают весьма большие магнитные потоки.
Характерным признаком ферромагнитных тел является зависимость их магнитной проницаемости от магнитной индукции и от предыдущих магнитных состояний тела.
Таким образом, магнитная проницаемость ферромагнитных тел является величиной непостоянной и изменяется в зависимости от магнитной индукции.
Следовательно, в формуле B = μ * H одновременно с Н изменяется В и μ. Поэтому для того, чтобы характеризовать магнитные свойства ферромагнитных тел, выражают зависимость между В и H графически в виде кривой. На представленном графике (рис. 2) по горизонтальной оси, называемой осью абсцисс, отложены значения напряженности поля в стали, а по вертикальной, называемой осью ординат, — соответствующие величины магнитной индукции в той же стали. Такую кривую называют кривой намагничивания.
Кривые намагничивания стали (железа) впервые были определены в 1871 г. знаменитым русским физиком А. Г. Столетовым.
При рассмотрении кривых намагничивания стали можно установить, что с увеличением напряженности магнитного поля H магнитная индукция В в железе вначале сильно возрастает, а затем приближается к максимальному значению и при дальнейшем увеличении H увеличивается незначительно, или, как говорят, достигает насыщения.
Большое значение для практических целей имеет построение графической зависимости В от H при так называемом циклическом намагничивании железа, т. е. при изменении величины H от нуля до некоторого максимального значения и уменьшении H до нуля, затем изменении направления H и увеличении H до максимального значения, уменьшении H до нуля и увеличении H до максимального значения в первом направлении и т. д. (см. рис. 2).
Полученная замкнутая кривая АСА1С1А называется гистерезисной петлей. Гистерезисом называют отставание В от H в процессе намагничивания и размагничивания.
Теоретически доказано, что площадь, охватываемая гистерезисной петлей, пропорциональна электрической энергии, расходуемой на нагревание железа при его перемагничивании за один цикл. Потери энергии в электрических машинах и аппаратах, связанные с перемагничиванием, называются потерями на гистерезис.
Каждый сорт стали имеет свои кривые намагничивания, определяющие его магнитные свойства.
Определим величину магнитного потока Ф в кольцевой катушке (длина магнитопровода которой равна l, сечение магнитопровода S, магнитная проницаемость его материала μ), имеющей w витков, при прохождении по ней тока l.
Источник
Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетиков от влияющих факторов
Магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от многих факторов, что может быть положено в основу разработки разнообразных типов датчиков, предназначенных для измерения электрических и неэлектрических величин.
1. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от напряженности магнитного поля.
Рисунок 5.37 Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от напряженности магнитного поля.
Магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от напряженности магнитного поля и характеризуется наличием критической намагниченности, при которой магнитная проницаемость материала достигает максимального значения.
2. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от частоты изменения напряженности магнитного поля.
Рисунок 5.38 Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от частоты магнитного поля.
Ферромагнитные материалы характеризуются наличием частоты среза, в окрестностях которой происходит резкое изменение магнитных свойств ферромагнетика.
3. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры.
Рисунок 5.39 Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от температуры..
Магнитная проницаемость ферромагнитных материала при нагревании возрастает, но при достижении критической температуры (точки Кюри) происходит разрушение упорядоченности в структуре материала и он переходит в парамагнитное состояние.
4. Зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от механической напряженности в материале.
Рисунок 5.40 Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от механического напряжения при различных напряженностях магнитного поля.
Приведенные графики отражают наличие магнитоупругого эффекта в ферромагнетиках.
5. Зависимость относительных деформаций ферромагнитных материалов от величины напряженности магнитного поля.
Рисунок 5.41 Кривые, характеризующие явление магнитострикции в материалах.
Данные зависимости отражают наличие магнитострикционного эффекта в ферромагнетиках.
6. Деформация петли гистерезиса под действием механических напряжений в ферромагнитных материалах.
Рисунок 5.42 Зависимость формы петли гистерезиса ферромагнетика от величины и направления механических напряжений в материале.
Как следует из приведенных графиков, остаточная индукция является функцией механических напряжений в материале. Под действием сжимающих усилий в ферромагнетике происходит стабилизация структуры, что сопровождается уменьшением потерь на гистерезис.
Магнитотвердые материалы характеризуются большим значением остаточной коэрцитивной силы. Основные характеристики для таких материалов: легкость намагничивания; малые магнитные потери на перемагничивание. К их числу относятся сплавы: АЛНИКО; АРМКО; ВИКАЛЛОЙ.
Магнитомягкими материалами являются пермаллои, стали. Существуют так же магнитные жидкости.
Ферромагнитные материалы используют для записи и хранения информации (с 1947 г.). Для этих целей на поверхности подложки наносят специальное ферролаковое покрытие. Ток записи намагничивает определенные области покрытия. Считывание записанной информации осуществляется, например, путем генерации ЭДС в катушке индуктивности.
К преимуществам таких запоминающих устройств можно отнести следующие факторы: это компактный, надежный носитель информации, потребляющий мало энергии; может сохранять информацию без дополнительных источников энергии; информация легко считывается; возможно многократное использование носителя информации.
Используют различные способы записи информации на магнитные носители, например, без возврата к нулю, с возвратом к нулю, запись информации по двум и трем уровням (намагничено, размагниченно, с насыщением), фазовая модуляция и т.п.
Есть статические и динамические запоминающие устройства на магнитных носителях, на пленках с управлением движения доменов (используется акустическая система), магнитоакустическое запоминающее устройства, а также на основе использования эффекта Фарадея (поворот вектора поляризации света в магнитном поле).
Последнее изменение этой страницы: 2019-03-22; Просмотров: 1888; Нарушение авторского права страницы
Источник
Зависимость магнитной проницаемости от напряжения
Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются и создают собственное магнитное поле, действие которого складывается с действием внешнего магнитного поля:
где $\boldsymbol<\vec>$ — магнитная индукция поля в веществе; $\boldsymbol<<\vec>_<0>>$ — магнитная индукция поля в вакууме, $\boldsymbol<<\vec>_<1>>$ — магнитная индукция поля, возникшего благодаря намагничиванию вещества. При этом вещество может либо усиливать, либо ослаблять магнитное поле. Влияние вещества на внешнее магнитное поле характеризуется величиной μ, которая называется магнитной проницаемостью вещества
$$ \boldsymbol<\mu =\frac<_<0>>>$$
- Магнитная проницаемость — это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.
Все вещества состоят из молекул, молекулы — из атомов. Электронные оболочки атомов можно условно рассматривать состоящими из круговых электрических токов, образованных движущимися электронами. Круговые электрические токи в атомах должны создавать собственные магнитные поля. На электрические токи должно оказывать действие внешнее магнитное поле, в результате чего можно ожидать либо усиления магнитного поля при сонаправленности атомных магнитных полей с внешним магнитным полем, либо их ослабления при их противоположной направленности.
Гипотеза о существовании магнитных полей в атомах и возможности изменения магнитного поля в веществе полностью соответствует действительности. Все вещества по действию на них внешнего магнитного поля можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетиками называются вещества, в которых внешнее магнитное поле ослабляется. Это значит, что магнитные поля атомов таких веществ во внешнем магнитном поле направлены противоположно внешнему магнитному полю (µ Рис. 2
2) собственным вращением (спином) электронов (спиновой магнитный момент) (рис. 2).
Для любознательных. Магнитный момент контура равен произведению силы тока в контуре на площадь, охватываемую контуром. Его направление совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля в середине контура с током.
Так как в атоме плоскости орбит различных электронов не совпадают, то вектора индукций магнитных полей [1], созданные ими (орбитальные и спиновые магнитные моменты), направлены под разными углами друг к другу. Результирующий вектор индукции многоэлектронного атома равен векторной сумме векторов индукций полей, создаваемых отдельными электронами. Не скомпенсированными полями обладают атомы с частично заполненными электронными оболочками. В атомах с заполненными электронными оболочками результирующий вектор индукции равен 0.
Во всех случаях изменение магнитного поля обусловлено появлением токов намагниченности (наблюдается явление электромагнитной индукции). Иными словами принцип суперпозиции для магнитного поля остается справедливым: поле внутри магнетика является суперпозицией внешнего поля $\boldsymbol<<\vec>_<0>>$ и поля $\boldsymbol<\vec
Подробнее механизм намагничивания диамагнетиков описан здесь: Слободянюк А.И. Физика 10. §13.3 Типы магнетиков.
Вещества, в которых внешнее магнитное поле усиливается в результате сложения с магнитными полями электронных оболочек атомов вещества из-за ориентации атомных магнитных полей в направлении внешнего магнитного поля, называются парамагнетиками (µ > 1).
Парамагнетики очень слабо усиливают внешнее магнитное поле. Магнитная проницаемость парамагнетиков отличается от единицы лишь на доли процента. Например, магнитная проницаемость платины равна 1,00036. Из – за очень малых значений магнитной проницаемости парамагнетиков и диамагнетиков их влияние на внешнее поле или воздействие внешнего поля на парамагнитные или диамагнитные тела очень трудно обнаружить. Поэтому в обычной повседневной практике, в технике парамагнитные и диамагнитные вещества рассматриваются как немагнитные, то есть вещества, не изменяющие магнитное поле и не испытывающие действия со стороны магнитного поля. Примерами парамагнетиков являются натрий, кислород, алюминий (μ = 1,00023).
В парамагнетиках молекулы обладают собственным магнитным полем. В отсутствии внешнего магнитного поля из-за теплового движения вектора индукций магнитных полей атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 4, а). При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы их поля были ориентированы параллельно внешнему полю. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается (рис. 4, б).
Полной ориентации молекул в магнитном поле препятствует их тепловое движение, поэтому магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры. Очевидно, что с ростом температуры магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается.
Ферромагнетики
Вещества, значительно усиливающие внешнее магнитное поле, называются ферромагнетиками (никель, железо, кобальт и др.). Примерами ферромагнетиков являются кобальт, никель, железо (μ достигает значения 8·10 3 ).
Само название этого класса магнитных материалов происходит от латинского имени железа — Ferrum. Главная особенность этих веществ заключается в способности сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, все постоянные магниты относятся к классу ферромагнетикам. Кроме железа ферромагнитными свойствами обладают его «соседи» по таблице Менделеева — кобальт и никель. Ферромагнетики находят широкое практическое применение в науке и технике, поэтому разработано значительное число сплавов, обладающих различными ферромагнитными свойствами.
Все приведенные примеры ферромагнетиков относятся к металлам переходной группы, электронная оболочка которых содержит несколько не спаренных электронов, что и приводит к тому, что эти атомы обладают значительным собственным магнитным полем. В кристаллическом состоянии благодаря взаимодействию между атомами в кристаллах возникают области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности — домены. Размеры этих доменов составляют десятые и сотые доли миллиметра (10 -4 − 10 -5 м), что значительно превышает размеры отдельного атома (10 -9 м ). В пределах одного домена магнитные поля атомов ориентированы строго параллельно, ориентация магнитных полей других доменов при отсутствии внешнего магнитного поля меняется произвольно (рис. 5).
Таким образом, и в не намагниченном состоянии внутри ферромагнетика существуют сильные магнитные поля, ориентация которых при переходе от одного домена к другому меняется случайным хаотическим образом. Если размеры тела значительно превышают размеры отдельных доменов, то среднее магнитное поле, создаваемое доменами этого тела, практически отсутствует.
Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле B0, то магнитные моменты доменов начинают перестраиваться. Однако механического пространственного вращения участков вещества не происходит. Процесс перемагничивания связан с изменением движения электронов, но не с изменением положения атомов в узлах кристаллической решетки. Домены, имеющие наиболее выгодную ориентацию относительно направления поля, увеличивают свои размеры за счет соседних «неправильно ориентированных» доменов, поглощая их. При этом поле в веществе возрастает весьма существенно.
Свойства ферромагнетиков
1) ферромагнитные свойства вещества проявляются только тогда, когда соответствующее вещество находится в кристаллическом состоянии;
2) магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры, так как ориентации магнитных полей доменов препятствует тепловое движение. Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, при котором доменная структура полностью разрушается, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это значение температуры называется точкой Кюри. Так для чистого железа значение температуры Кюри приблизительно равно 900°C;
3) ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. На рисунке 6 показано, как изменяется модуль индукции магнитного поля B в стали с изменением внешнего поля B0:
4) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 7).
Это объясняется тем, что вначале с увеличением B0 магнитная индукция B растет сильнее, а, следовательно, μ будет увеличиваться. Затем при значении магнитной индукции B’0 наступает насыщение (μ в этот момент максимальна) и при дальнейшем увеличении B0 магнитная индукция B1 в веществе перестает изменяться, а магнитная проницаемость уменьшается (стремится к 1):
5) у ферромагнетиков наблюдается остаточная намагниченность. Если, например, ферромагнитный стержень поместить в соленоид, по которому проходит ток, и намагнитить до насыщения (точка А) (рис. 8), а затем уменьшать ток в соленоиде, а вместе с ним и B0, то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда B0 = 0 (ток в соленоиде выключен), индукция будет равна Br (остаточная индукция). Стержень можно вынуть из соленоида и использовать как постоянный магнит. Чтобы окончательно размагнитить стержень, нужно пропустить по соленоиду ток противоположного направления, т.е. приложить внешнее магнитное поле с противоположным направлением вектора индукции. Увеличивая теперь по модулю индукцию этого поля до Boc, размагничивают стержень (B = 0).
- Модуль Boc индукции магнитного поля, размагничивающего намагниченный ферромагнетик, называют коэрцитивной силой.
При дальнейшем увеличении B0 можно намагнитить стержень до насыщения (точка А’).
Уменьшая теперь B0 до нуля, получают опять постоянный магнит, но с индукцией –Br (противоположного направления). Чтобы вновь размагнитить стержень, нужно снова включить в соленоид ток первоначального направления, и стержень размагнитится, когда индукция B0 станет равной Boc. Продолжая увеличивать я B0, снова намагничивают стержень до насыщения (точка А).
Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция B отстает от B0. Это отставание называется явлением гистерезиса. Изображенная на рисунке 8 кривая называется петлей гистерезиса.
Гистерезис (греч. ὑστέρησις — «отстающий») — свойство систем, которые не сразу следуют за приложенными силам.
Вид кривой намагничивания (петли гистерезиса) существенно различается для различных ферромагнитных материалов, которые нашли очень широкое применение в научных и технических приложениях. Некоторые магнитные материалы имеют широкую петлю с высокими значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы, они называются магнитно-жесткими и используются для изготовления постоянных магнитов. Для других ферромагнитных сплавов характерны малые значения коэрцитивной силы, такие материалы легко намагничиваются и перемагничиваются даже в слабых полях. Такие материалы называются магнитно-мягкими и используются в различных электротехнических приборах — реле, трансформаторах, магнитопроводах и др.
Источник