Магнитные свойства различных веществ

Ферромагнитные, парамагнитные и диамагнитные материалы. Все вещества — твердые, жидкие и газообразные з зависимости от магнитных свойств делят на три группы: ферромагнитные, пара­магнитные и диамагнитные.

К ферромагнитным материалам относят железо, кобальт, никель и их сплавы. Они обладают высокой магнитной проницаемостью р,, в тысячи и даже десятки тысяч раз большей магнитной проницае­мости неферромагнитных веществ, и хорошо притягиваются к магни­там и электромагнитам.

К парамагнитным материалам относят алюминий, олово, хром, марганец, платину, вольфрам, растворы солей железа и др. Отно­сительная магнитная проницаемость ц у них несколько больше еди­ницы. Парамагнитные материалы притягиваются к магнитам и электромагнитам в тысячи раз слабее, чем ферромагнитные мате­риалы.

Диамагнитные материалы к магнитам не притягиваются, а, нао­борот, отталкиваются. К, ним относят медь, серебро, золото, свинец, цинк, смолу, воду, большую часть газов, воздух и пр. Относитель­ная магнитная проницаемость \х у них несколько меньше единицы.

Магнитные свойства ферромагнитных материалов. Ферромагнит­ные материалы благодаря их способности намагничиваться широко применяют при изготовлении электрических машин, аппаратов в других электротехнических установок. Основными характеристиками их являются: кривая намагничивания, ширина петли гистерезиса и потери мощности при перемагничивании.

Кривая намагничивания. Процесс намагничивания фер­ромагнитного материала можно изобразить в виде кривой намагни­чивания (рис. 44, а), которая представляет собой зависимость индукции В от напряженности Н магнитного поля. Так как напря­женность магнитного поля определяется силой тока, посредством которого намагничивается ферромагнитный материал, эту кривую можно рассматривать как зависимость индукции от намагничиваю­щего тока /.

Кривую намагничивания можно разбить на три участка: Оа, на котором магнитная индукция возрастает почти пропорционально намагничивающему току (напряженности ноля); аб, на котором рост магнитной индукции замедляется («колено» кривой намагничи­вания), и участок магнитного насыщения за точкой б, где зависи­мость В от Н становится опять прямолинейной, но характеризуется медленным нарастанием магнитной индукции при увеличении на­пряженности поля по сравнению с первым и вторым участками кривой.

Следовательно, при большом насыщении ферромагнитные ве­щества по способности пропускать магнитный поток приближаются к неферромагнитным материалам (магнитная проницаемость их резко уменьшается). 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.

Магнитную индукцию в электрических машинах, аппаратах и приборах выбирают в зависимости от предъявляемых к ним требо­ваний. Если необходимо,.чтобы случайные колебания намагничи­вающего тока мало влияли на магнитный поток данной машины или аппарата, то выбирают индукцию, соответствующую условиям насыщения (например, в генераторах постоянного тока с парал­лельным возбуждением). Если желательно, чтобы индукция и маг­нитный поток изменялись пропорционально намагничивающему току (например, в электроизмерительных приборах), то выбирают ин­дукцию, соответствующую прямолинейному участку кривой намаг­ничивания.

Перемагничивание ферромагнитных материа­лов, петля гистерезиса. Большое практическое значение, особенно в электрических машинах и установках переменного тока, имеет процесс перемагничивания ферромагнитных материалов. На рис. 44, б показан график изменения индукции при намагни­чивании и размагничивании ферромагнитного материала (при изменении намагничивающего тока / или напряженности магнит­ного поля Н). Как видно из этого графика, при одних и тех же значениях напряженности магнитного поля магнитная индукция, полученная при размагничивании ферромагнитного тела (уча­сток а —б— в), будет больше индукции, полученной при нама­гничивании (участки О — а и д — а). Когда напряженность поля (намагничивающий ток) будет доведена до нуля, индукция в фер­ромагнитном материале не уменьшится до нуля, а сохранит неко­торое значение В_г, соответствующее отрезку Об. Это значение называется остаточной индукцией.

Явление отставания, или запаздывания, изменений магнитной ин­дукции от соответствующих изменений напряженности магнитного поля называется магнитным гистерезисом, а сохранение в ферро­магнитном материале магнитного поля после прекращения проте­кания намагничивающего тока — остаточным магнетизмом.

При изменении направления намагничивающего тока можно

 

 

полностью размагнитить ферромагнитное тело и довести магнитную индукцию в нем до нуля. Обратная напряженность Н_с, при которой индукция в ферромагнитном материале уменьшается до нуля, назы­вается коэрцитивной силой. Кривую О — а, получающуюся при условии, что ферро­магнитное вещество было предварительно размагничено, называют первоначальной кривой намагничивания.

Следовательно, при перемагничивании ферромагнитного вещества, например при постепенном намагничивании и размагни-

чивании стального сердечника электро-

Потери энергии при перемагничивании. При пе­риодическом перемагничивании ферромагнитного вещества затра­чивается определенная энергия, которая выделяется в виде тепла, вызывая нагревание ферромагнитного вещества. Потери энергии, связанные с процессом перемагничивания стали, называют потерями на гистерезис. Значение этих потерь при каждом цикле перемаг­ничивания пропорционально площади петли гистерезиса. Потери мощности на гистерезис пропорциональны квадрату максимальной индукции В_тах и частоте перемагничивания /. Поэтому при значи­тельном увеличении индукции в магнитопроводах электрических машин и аппаратов, работающих в переменном магнитном поле, эти потери резко возрастают.

Влияние ферромагнитных материалов на распределение магнит­ного поля. Если поместить в магнитное поле какое-либо тело из ферромагнитного материала, то магнитные силовые линии будут входить и выходить из него под прямым углом. В самом теле и около него будет иметь место сгущение силовых линий, т. е. ин­дукция магнитного поля внутри тела и вблизи него возрастает. Если выполнить ферромагнитное тело в виде кольца, то во внутрен­нюю его полость магнитные силовые линии практически проникать не будут (рис. 45) и кольцо будет служить магнитным экраном, защищающим внутреннюю лолость от влияния магнитного поля. На этом свойстве ферромагнитных материалов основано действие различных экранов, защищающих электроизмерительные приборы, электрические кабели и другие электротехнические устройства от вредного воздействия внешних магнитных полей.

Магнитная цепь

Для того чтобы сосредоточить магнитное поле в определен­ной части электрической машины, аппарата или прибора и умень­шить мощность, потребляемую катушкой электромагнита, создаю-

щего это поле, в конструкции этих устройств широко применяют различные элементы из ферромагнитных материалов. Совокупность таких элементов с разделяющими их воздушными зазорами со­ставляет магнитопровод, или магнитную цепь, электрической ма­шины, аппарата или прибора. Например, магнитная цепь электро­магнитного реле (рис. 46, а) состоит из трех участков: сердеч­ника 2, якоря 4 и двух воздушных зазоров 6. По замкнутому контуру, образованному этими участками, проходит магнитный поток 3, создаваемый током катушки /. 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.

Магнитное поле в магнитной цепи электрической машины по­стоянного тока создается током катушек 7 (рис. 46, 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 // между полюсами и якорем и замыкается через остов 10.

Магнитодвижущая сила. Способность тока возбуждать магнит­ное поле оценивается его магнитодвижущей силой (м. д. с). Маг­нитодвижущая сила Р изменяется в амперах. Магнитодвижущая сила проводника с током I равна силе этого тока: Р — 1.

В общем случае, когда какой-либо замкнутый контур охваты­вает несколько токов (показан на рис. 47, а штриховой линией), суммарная магнитодвижущая сила равна их алгебраической сумме: Для случая

Магнитодвижущая сила катушки представляет произ­ведение тока / на число ее витков до. Это объясняется тем, что

Закон Ома для магнитной цепи. Для лучшего понимания усло­вий возникновения магнитного поля в магнитных цепях целесооб­разно провести аналогию между магнитной цепью и цепью электри­ческой. Это можно сделать, например, для простейшей магнитной цепи, на всем протяжении которой напряженность Н магнитного поля постоянна. Для такой цепи произведение напряженности Н на длину I магнитной цепи по всему ее замкнутому контуру равно алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром: Формула (46) выражает закон полного тока для рассматривае­мой магнитной цепи. Сумма токов ][/, пронизывающих какой-либо замкнутый контур, называется полным током: отсюда и получил свое название этот закон.

Если в формулу (46) подставим напряженность Н из формулы (43), заменив индукцию В согласно формуле (41), то получим за­висимость магнитного потока Ф от магнитодвижущей силы Р и пара­метров данной магнитной цепи, т. е. от ее магнитного сопротивления /?_м. Эта зависимость называется законом Ома для магнитной цепи. Он формулируется следующим образом. Магнитный поток, проходящий по магнитной цепи, равен магнитодвижущей силе, де­ленной на магнитное сопротивление цепи, Магнитное сопротивление /?_ч = //(ц_а5) зависит от длины / маг­нитной цепи, поперечного сечения 5 и магнитной проницаемости и_я. Из формулы (47) следует, что действие магнитодвижущей силы аналогично действию электродвижущей силы. Подобно тому как э. д. с. является причиной возникновения тока в электри­ческой цепи, так и м. д. с. является причиной возникновения маг­нитного потока в магнитной цепи. Чем больше магнитодвижу­щая сила Р, создаваемая катушкой электромагнита, тем больший магнитный поток проходит по его магнитной цепи.

Магнитное сопротивление /?_м играет в магнитной цепи роль, аналогичную электрическому сопротивлению цепи. Так же как в элек­трической цепи с увеличением сопротивления уменьшается ток, так и в магнитной цепи с увеличением магнитного сопротивления уменьшается магнитный поток. Следует, однако, отметить, что эта аналогия не распространяется на физические процессы, имеющие место в электрических и магнитных цепях. Кроме того, магнитное сопротивление /?„ является нелинейным. Оно зависит от магнитной проницаемости ц_а, которая изменяется при изменении индукции, т. е. магнитного потока, проходящего через данный участок цепи. Поэтому при расчетах магнитных цепей пользуются кривыми намагничивания, т. е. зависимостями напряженности Н от индукции В для соответствующего ферромагнитного материала.

Формулы (47) и (47') показываю/г, что возрастание магнитного потока в какой-либо электрической машине или аппарате можно обеспечить: увеличением магнитодвижущей силы Р катушки, создаю­щей магнитное поле в данной машине или аппарате, т. е. увеличе­нием проходящего по ней тока. / или числа витков ш катушки; уменьшением магнитного сопротивления магнитной цепи данной машины или аппарата путем применения ферромагнитных материа­лов с большей магнитной проницаемостью д._а; 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 5 от­дельных участков магнитной цепи или же уменьшением общей длины магнитной цепи и ее 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.