Магнитные цепи на постоянном токе. Индуктивное и силовое действия магнитного поля.

Лекция №15. .Магнитные цепи.             

Образовательные результаты по ФГОС:

Знать:классификацию электронных приборов, их устройство и область применения;

методы расчета и измерения основных параметров электрических цепей; основные законы электротехники; основные правила эксплуатации электрооборудования и методы измерения электрических величин;основы теории электрических машин,принцип работы типовых электрических устройств;параметры электрических схем и единицы их измерения;

принцип выбора электрических и электронных приборов;принципы составления простых электрических и электронных цепей;способы получения, передачи и использования электрической энергии;устройство, принцип действия и основные характеристики электротехнических приборов;

основы физических процессов в проводниках, полупроводниках и диэлектриках;характеристики и параметры электрических и магнитных полей, параметры различных электрических цепей.

Уметь:выбирать электрические, электронные приборы и электрооборудованиеправильно эксплуатировать электрооборудование и механизмы передачи движения технологических машин и аппаратов;производить расчеты простых электрических цепей;рассчитывать параметры различных электрических цепей и схем;снимать показания и пользоваться электроизмерительными приборами и приспособлениями.

Задание:составить конспект лекции, выделить главное, ответить на контрольные вопросы.

План.

Тема:1.Магнитные цепи на постоянном токе. Индуктивное и силовое действия магнитного поля.

    2.Закон полного тока.

Основные параметры магнитного поля. Физика ферромагнитных материалов. Закон полного тока.

Под термином "магнитное поле" принято подразумевать определенное энергетическое пространство, в котором проявляются силы магнитного взаимодействия. Они влияют на:

- отдельные вещества: ферримагнетики (металлы — преимущественно чугуны, железо и сплавы из них) и их класс ферритов вне зависимости от состояния;

- движущиеся заряды электричества.

Физические тела, обладающие суммарным магнитным моментом электронов или других частиц, называют постоянными магнитами. Их взаимодействие представлено на рисунке 1 силовыми магнитными линиями.

Рисунок 1-Силовые магнитные силы

Они образовались после поднесения постоянного магнита к обратной стороне картонного листа с ровным слоем железных опилок. Картинка демонстрирует четкую маркировку северного (N) и южного (S) полюсов с направлением силовых линий относительно их ориентации: выход из северного полюса и вход в южный.

Источниками магнитного поля являются:

- постоянные магниты;

- подвижные заряды;

- изменяющееся во времени электрическое поле.

Электрический ток связан с магнитным полем. Основными величинами, характеризующими магнитное поле, являются: магнитный поток, магнитная индукция и напряженность магнитного поля.
В качестве силовой характеристики магнитного поля вводится векторная величина В, называемая индукцией магнитного поля или просто индукцией В. Модуль вектора индукции магнитного поля равен отношению магнитной силы F, направленной вдоль радиуса-вектора, соединяющего точечные заряды, к произведению заряда Q на его скорость v при условии, что заряд движется перпендикулярно вектору индукции:

B=F/(Qv)

Единицу индукции магнитного поля называют тесла (Тл): 1 Тл - это индукция поля, которое действует на заряд 1 Кл, движущийся со скоростью 1 м/с перпендикулярно вектору индукции, с поперечной силой 1 Н.
Напряженностью Н магнитного поля называют величину:

Единицей напряженности магнитного поля служит ампер на метр (А/м).

Другой важной характеристикой магнитного поля является величина, называемая магнитным потоком Ф:

Ф=ВS

Единицу магнитного потока называют вебер (Вб): 1 Вб - магнитный поток, пронизывающий поверхность площадью 1 метр кв., расположенную перпендикулярно силовым линиям однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл.
Напряженность магнитного поля связана с магнитной индукцией соотношением

Магнитная проницаемость веществаμ:
Относительная магнитная проницаемость μ_/:
Магнитная проницаемость в вакуумеμ₀ :
Магнитная проницаемость - безразмерная величина. Таким образом, каждое данное вещество может характеризоваться присущей ему магнитной проницаемостью, так же как диэлектрик - диэлектрической проницаемостью.
Все тела, помещаемые в магнитное поле, изменяют его индукцию.
В 50-х годах прошлого столетия Фарадей обнаружил, что все тела обладают магнитными свойствами, но степень и характер их взаимодействия с полем у различных веществ различны.

В связи с этим различают вещества парамагнитными,диамагнитными и ферромагнитными свойствами.

- диамагнетики (висмут, вода, водород, медь, стекло);

- парамагнетики (кислород, платина, вольфрам, алюминий);

- ферромагнетики (железо, кобальт, чугун, никель).

У диамагнетиков, как и у парамагнетиков, зависимость В(Н) (кривая намагничивания) является линейной, отличие только в угле наклона графика (рисунок 1).

Кривая намагничивания показывает связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля. У ферромагнетиков эта связь существенно нелинейная.
Индукция поля в намагниченном ферромагнетике сначала быстро нарастает с ростом напряженности внешнего магнитного поля. Затем рост индукции поля замедляется.
В стали потери на перемагничивание пропорциональны площади, ограниченной кривой намагничивания. Материалы с большой площадью кривой намагничивания называются магнитотвердыми, с малой площадью кривой намагничивания - магнитомягкими, например, электротехническая сталь.

Рисунок 1- Кривая намагничивания различных веществ

Важное отличие ферромагнетиков также заключается в том, что если пара- или диамагнитные свойства вещества проявляются у газов и жидкостей, то ферромагнитные свойства наблюдают только у кристаллов.

Характерным свойством ферромагнетиков является гистерезис (рисунок 2).

Рисунок 2-Петля гистерезиса

Явление заключается в том, что индукция ферромагнетика В зависит не только от напряженности намагничивающего поля в данный момент, но и от предварительного намагничивания образца. Поэтому вообще нельзя указать, какая индукция ферромагнетика соответствует данному значению напряженности намагничивающего поля, если неизвестно, в каком состоянии он до этого находился. То же, естественно, относится к значениям магнитной проницаемости.
Участок ОС кривой на графике характеризует ход первоначальной намагниченности, т. е. случая, когда ферромагнетик был сначала нагрет выше точки Кюри и тем самым полностью размагничен, а затем охлажден и подвергнут намагничиванию. Совершенно иной вид будет иметь кривая намагничения, если ферромагнетик был уже ранее намагничен.
Изготовим сердечник в форме тороида из размагниченного ферромагнетика и обмотаем его равномерно проводником. Меняя силу тока в обмотке, мы тем самым меняем напряженность намагничивающего поля. Пусть напряженность поля возрастет до значения Hs. Этому значению поля соответствует индукция насыщения, равная Bs. Будем уменьшать силу тока в обмотке, уменьшая тем самым напряженность намагничивающего поля. Мы убедимся, что индукция сердечника в процессе размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания.
Когда сила тока в обмотке станет равной нулю, исчезнет и намагничивающее поле. Но индукция ферромагнетика не обратится в нуль - сердечник сохранит некоторую остаточную индукцию Вr. И только в том случае, когда по обмотке будет пропущен ток обратного направления и возникнет поле с напряженностью - Нc, индукция сердечника обратится в нуль. Напряженность размагничивающего поля Нc называют коэрцитивной силой.
Если увеличивать в обмотке силу тока обратного направления, то индукция магнитного поля в сердечнике будет возрастать тоже в противоположном направлении до насыщения. Далее, при уменьшении силы тока процесс размагничивания повторится. Кривую, описывающую этот процесс, называют петлей гистерезиса.
Магнитной цепью называется часть электротехнического устройства, предназначенная для создания в его рабочем объеме магнитного поля заданной величины и конфигурации.
Магнитная цепь электрических реле, трансформаторов, электрических машин состоит из источников, возбуждающих магнитное поле, и магнитопровода, в котором магнитный поток концентрируется и практически весь замыкается.
Для электрических цепей с нелинейным индуктивным и линейным емкостным сопротивлениями характерны явления феррорезонанса. При последовательном соединении различают феррорезонанс напряжений, а при параллельном - феррорезонанс токов.
Вольт-амперные характеристики электрической цепи показаны на рисунке 3.

Рисунок 3- Вольт-амперные характеристики электрической цепи при последовательном (a) и параллельном (б) соединениях показаны на рисунке 3.

Скачкообразное изменение величины тока и его фазы при последовательном включении рассматриваемых элементов и скачкообразное изменение величины напряжения при параллельном включении являются одной из особенностей таких цепей. Релейные свойства феррорезонансных цепей используются в устройствах автоматики.
Схема последовательного соединения может быть использована в качестве стабилизатора напряжения.
Для изменения индуктивного сопротивления катушки с ферромагнитным сердечником используют подмагничивание сердечника дополнительной катушкой, питаемой постоянным током. В этом случае она называется дросселем насыщения и используется для регулирования скорости вращения двигателей, регулирования освещения, а также в выпрямительных установках с регулируемым напряжением.

Примеры магнитных цепей электрических машин и измерительных приборв.
Выше были рассмотрены простейшие магнитные цепи. В реальных магнитных и электромеханических системах магнитные цепи значительно сложнее - разветвленные и распределенные. Некоторые примеры магнитных цепей представлены на рисунке 4: на рисунке 4а изображена трехстержневая магнитная цепь трансформатора, собранная из Ш-образных листов; на рисунке 4б схематически изображена магнитная цепь электрической машины постоянного тока; на рисунке 4в показана магнитная система электромагнитного реле, контакты которого замыкаются при притяжении якоря (подвижной части) к сердечнику электромагнита; на рисунке 4г и д показаны магнитные системы магнитоэлектрического измерительного прибора и магнето (устройства зажигания газовой смеси двигателей внутреннего сгорания), в которых магнитное поле создается постоянными магнитами (N-S). Во всех конструкциях магнитная цепь более сложная и ее только приближенно можно описать нелинейной магнитной цепью с параметрами, соответствующими участкам разветвленного магнитопровода, и аналогичной нелинейной резистивной цепью.

Рисунок 4-Схемы магнитных цепей электрических машин и измерительных приборов

2.Закон полного тока.

В электрических цепях всегда присутствует магнитное поле, которое оказывает электромагнитное взаимодействие с токами этих цепей. Данный фактор учитывается при расчетах цепей, а закон полного тока для магнитного поля является инструментом для подобных вычислений. Если поднести магнитную стрелку к проводнику, по которому течёт ток, её положение изменится. Это говорит о наличии вокруг проводника кроме электрического ещё и магнитного поля. В результате многочисленных исследований электромагнитных явлений установлено, что существует взаимное влияние полей, имеющих электрическую и магнитную природу. Для этого представим себе два параллельных проводника, по которым циркулируют постоянные токи, например, I1 и I2. Вблизи этих проводников образуется поле, которое мысленно можно ограничить неким контуром L – воображаемой замкнутой фигурой, плоскость которой пересекает потоки движущихся зарядов. В пределах плоскости, охватываемой контуром L, формируется магнитное поле, напряжённость которого распределена в соответствии с направлениями токов. При этом циркуляция вектора магнитного поля в плоскости замкнутого контура прямо пропорциональна сумме токов, пронзающих данный контур. Полный электрический ток равен векторной сумме его составляющих:

Направления векторов I₁ и I₂ определяется по правилу буравчика.

Закон полного тока это закон, связывающий циркуляцию вектора напряженности магнитного поля и ток.Циркуляция вектора напряженности магнитного поля по контуру равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром

Положительным считается ток, направление которого связано с направлением обхода по контуру правилом правого винта; ток протоивоположного направления считается отрицательным (рисунок 5).

Рисунок 5-Схематичное объяснение закона полного тока

Контрольные вопросы.

1. Из каких элементов состоит простейшая магнитная цепь?

2. Что называют магнитной цепью?

3. Какими величинами характеризуют режим работы магнитной цепи?

4. Какие бывают магнитные цепи?

5. Каково назначение магнитопроводов?

6. Чему равна магнитодвижущая сила?

7. Что называется напряженностью магнитного поля?

8. Где применяют магнитомягкие материалы?

Источник:

1. https://palitrabazar.ru/raznoe/magnitnaya-tsep-i-ee-raschet.html

2. iddc.ru

Видео:

1. https://www.youtube.com/watch?v=VyeCNyvXyEg

2. https://www.youtube.com/watch?v=SCOH1NTydww

3. https://www.youtube.com/watch?v=2yVBr8_vcPE

4. https://www.youtube.com/watch?v=2

5. HkNGi4JRc&list=PLNVYblDQsKxHBNm_vt5or_P2mNW1LjeDx&index=146

6. https://www.youtube.com/watch?v=mkBalfUwBd0&feature=emb_logo

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры