Магнитные свойства веществ

Все вещества: твердые, жидкие и газообразные в зависимости от магнитных свойств делятся на:

· ферромагнитные: железо, никель, кобальт и их сплавы, обладают сильными магнитными свойствами; к магнитам притягиваются; µ_отн =40-200000.

· парамагнитные: алюминий, олово, хром, марганец, платина, вольфрам, растворы солей железа и др. Парамагнитные материалы притягиваются к магнитам и электромагнитам в тысячи раз слабее, чем ферромагнитные материалы; µ_отн >1 (1,0037).

· диамагнитные: медь, серебро, золото, свинец, цинк, смола, вода, воздух и другие газы; от магнитов отталкиваются; µ_отн <1 (0,999).

В ферромагнитных материалах (ФМ) магнитная индукция значительно больше, чем в неферромагнитных материалах при одной и той же напряженности магнитного поля (т.е. при одной и той же намагничивающей силе).

Ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное поле, намагничиваются – т.е. сами становятся источниками магнитного поля и благодаря способности намагничиваться их широко применяют при изготовлении электрических машин, аппаратов и других электротехнических установок.

График перемагничивания имеет вид петли, которая называется петлей Гистерезиса (рис.2.8). Гистерезис – переводится как запаздывание. При изменении напряжённости намагничивающего поля Н происходит отставание в изменении магнитной индукции В.

Объясняется тем, что молекулярные магнитики недостаточно эластичны: однажды ориентированные внешним магнитным полем, они не возвращаются в первоначальное положение после удаления магнитного поля.

Поместим стержень внутрь катушки и начнём его намагничивать, пропуская через катушку ток.

На участке АБ - с увеличением Н возрастает В;

БВ - рост В замедляется, т.к. сокращается количество согласованно ориентированных доменов;

Рисунок 2.8.

ВГ - наступает магнитное насыщение, т.е. все домены повернуты по направлению поля; с увеличением Н не изменяется В. Магнитная индукция, при которой происходит насыщение, зависит от рода ферромагнитного материала. Чем больше индукция насыщения ферромагнитного материала, тем меньший намагничивающий ток требуется для создания в нем заданной индукции и, следовательно, тем лучше он пропускает магнитный поток.

Кривая первоначального намагничивания - АБВГ - (основная) кривая, которой пользуются при расчете магнитных цепей (определяет состояние намагничивания).

Начнём теперь уменьшать ток до нуля.

ГДЕ – с уменьшением Н уменьшается В, стержень размагничивается;

АЕ – остаточная индукция, после отключения тока катушки;

ЕЖ – размагничивание стрежня вследствие изменения направления тока.

ЕЖ - коэрцитивная сила – значение напряженности поля, при которой магнитная индукция в ферромагнитном материале уменьшается до нуля.

Магнитный гистерезис – явление, при котором размагничивание стержня запаздывает по сравнению с уменьшением напряженности поля.

Чтобы размагнитить магнит, необходимо свести к нулю остаточную индукцию. Проще всего это сделать при помощи переменного поля, постепенно удаляя стальной сердечник из него (или удалением поля от сердечника). Петля Гистерезиса при этом будет становиться всё меньше и меньше, и затем, при слабом поле петля исчезнет, т.е. остаточная индукция станет равна нулю. Для размагничивания обычно используют переменный ток.

Контрольные вопросы

1. Как подразделяются вещества в зависимости от магнитных свойств?

2. Какие вещества называются ферромагнитными?

3. Какие вещества называются парамагнитными?

4. Какие вещества называются диамагнитными?

5. Что такое петля Гистерезиса?

Магнитная цепь

Магнитная цепь – устройство, содержащее сердечники из ферромагнитных материалов, через которые замыкается магнитный поток.

Магнитные цепи являются составными частями электротехнических установок: двигателей, генераторов, трансформаторов, реле и других устройств.

Источником намагничивающей силы является обычно обмотка (катушка) с током или постоянный магнит.

Магнитопроводы предназначены для усиления магнитного потока и придания магнитному полю определенной конфигурации. Иногда магнитопровод может включать воздушные промежутки. В качестве материала для магнитопроводов применяются ферромагнитные материалы, чтобы сосредоточить магнитное поле в определенной части аппарата.

Например:

Магнитная цепь электромагнитного реле (рис.2.9, а) состоит из трёх участков: сердечника 2, якоря 4 и двух воздушных зазоров 6. По замкнутому контуру, образованному этими участками, проходит магнитный поток 3, создаваемый током катушки 1. При переходе через воздушные зазоры, разделяющие сердечник и якорь, часть магнитного потока замыкается по воздуху, т.е. не проходит через якорь, - возникает поток рассеяния 5.

 

 

Рисунок 2.9. Магнитная цепь

 

а) электромагнитного реле: 1 – катушка; 2 – сердечник; 3 – магнитный поток; 4 – якорь;

5 – магнитный поток рассеяния; 6 – воздушный зазор;

б) машины постоянного тока: 7 – катушка; 8 – полюса; 9 – якорь; 10 – остов; 11 – воздушный зазор

 

Магнитное поле в магнитной цепи электрической машины постоянного тока создаётся током катушек 7 (рис.2.9, б), расположенных на полюсах 8. Эти катушки называют обмотками возбуждения. Создаваемый ими магнитный поток проходит через сердечники полюсов, вращающуюся часть машины - якорь 9, воздушные зазоры 11 между полюсами и якорем и замыкается через остов 10.

Способность тока возбуждать магнитное поле оценивается магнитодвижущей силой (м.д.с.). Измеряется в амперах.

Магнитодвижущая сила F проводника с током равна силе этого тока I: F=I.

 

 

Рисунок 2.10. Замкнутый контур магнитной цепи, сцепленный с тремя

электрическими токами (а) и катушкой с током (б)

 

В общем случае, когда замкнутый контур охватывает несколько токов (рис. 2.10, а), то суммарная магнитодвижущая сила равна их алгебраической сумме F=ΣI. (Закон полного тока).

М.д.с. катушки (рис. 2.10, б) равна произведению тока I на число её витков W, т.к. замкнутый контур магнитной цепи, сцеплённый с катушкой, охватывает ток I не один раз, а W раз, т.е.: F= WI.

Закон Ома для магнитной цепи:

«Магнитный поток Ф, проходящий по магнитной цепи, равен магнитодвижущей силе F, деленной на магнитное сопротивление цепи R_М ».

Ф= ; R_м=

Магнитный поток, создаваемый катушкой, зависит от длины магнитной цепи ℓ, числа витков w, поперечного сечения S и магнитной проницаемости µ_а: Ф= /µ_аS

Чем больше магнитодвижущая сила F, создаваемая катушкой электромагнита, тем больший магнитный поток проходит по его магнитной цепи.

Возрастание магнитного потока в какой-либо электрической машине или аппарате можно обеспечить:

· увеличением магнитодвижущей силы F катушки, создающей магнитное поле в данной машине или аппарате, т. е. увеличением проходящего по ней тока I или числа витков W катушки;

· уменьшением магнитного сопротивления магнитной цепи данной машины или аппарата путем применения ферромагнитных материалов с большей магнитной проницаемостью;

· уменьшением воздушных зазоров, разделяющих отдельные участки магнитной цепи, выполненные из ферромагнитных материалов (воздушные зазоры, имеющиеся в магнитной цепи, создают весьма большое магнитное сопротивление);

· увеличением площади поперечного сечения S отдельных участков магнитной цепи;

· уменьшением общей длины магнитной цепи и её отдельных участков.

Все эти меры широко используют при конструировании электрических машин и аппаратов. Магнитопроводы стараются выполнить из высококачественных ферромагнитных материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью (электротехнической стали или специальных сплавов), воздушные зазоры свести до минимальных значений.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение магнитной цепи.

2. Что является источником намагничивающей силы?

3. Объясните назначение магнитопровода.

4. Почему применяются ферромагнитные материалы для магнитопровода?

5. Принцип работы электромагнитного реле.

6. Принцип работы электрической машины постоянного тока.

7. Сформулируйте закон Ома для магнитной цепи.