Магнитные цепи

1.Магнети́зм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. Наряду с электричеством, магнетизм — одно из проявлений электромагнитного взаимодействия

2. Линия посередине магнита, называемая нейтральной, не обнаруживает магнитных свойств.

3. Магнит – это предмет или вещество, которые образуют вокруг и внутри себя магнитное поле. Каждый магнит имеет ДВА полюса (северный N и южный S), где магнитные взаимодействия проявляются наиболее сильно. Противоположные полюса разных магнитов притягиваются – северный к южному и наоборот. Хорошо известно, что, если поднести два магнита друг к другу, между ними действует сила. Магниты либо притягивают друг друга, либо отталкивают; их взаимодействие ощущается даже тогда, когда магниты не соприкасаются. Если к северному полюсу одного магнита поднести северный полюс другого, магниты будут отталкиваться; то же самое будет, если поднести магниты друг к другу южными полюсами. Но если к северному полюсу одного магнита поднести южный полюс другого, возникает притяжение. Это напоминает взаимодействие электрических зарядов: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. Но не следует смешивать полюса магнитов и электрические заряды – это совсем разные вещи.

4. Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела. Магнитное поле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитная составляющая электромагнитного поля. Магнитное поле – это особый, отличный от вещества, вид материи, через которую передается действие магнита на другие тела. Оно обладает следующими характерными свойствами:

вызывает ориентацию магнитной стрелки;

намагничивает некоторые вещества (железо, сталь и др.);

заставляет двигаться проводник, по которому течет электрический ток;

вызывает образование ЭДС в проводнике, движущемся относительно магнитного поля.

Основными величинами, характеризующими магнитное поле, являются: магнитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость, напряженность магнитного поля.

5. Экспериментальные исследования поведения электрического заряда в магнитном поле показали, что на заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила, которую назвали магнитной силой или силой Лоренца. Она определяется зарядом q, его скоростью движения v и силовой характеристикой магнитного поля, называемой магнитной индукцией B, в точке, где находится заряд в рассматриваемый момент времени.

6. Свойства магнитных силовых линий

Для простоты и наглядности магнитные поля изображают графически при помощи магнитных силовых линий. Магнитные силовые линии – это такие линии, направление которых в каждой точке совпадает с направлением действия магнитных сил

Магнитные силы магнитного поля действуют в определенных направлениях. Направления действия магнитных сил условились называть магнитными силовыми линиями. Этим термином широко пользуются при изучении электротехники, однако надо помнить, что магнитные силовые линии не материальны: это — условное понятие, введенное только для облегчения понимания свойств магнитного поля.

Форма магнитного поля, т. е, расположение в пространстве магнитных силовых линий, зависит от формы самого магнита.

Магнитные силовые линии обладают рядом свойств:

они всегда замкнуты,

никогда не пересекаются,

имеют стремление пойти по кратчайшему пути и оттолкнуться друг от друга, если направлены в одну сторону. Принято считать, что силовые линии выходят из северного полюса магнита и входят в его южный полюс; внутри магнита они имеют направление от южного полюса к северному.

7.Магнитная индукция — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью . Магнитная индукция (В) – это физическая величина, характеризующая направление действия магнитной силы и ее значение в данной точке поля, она является векторной величиной и численно равна силе, с которой магнитное поле действует на проводник длиной в 1 метр с током в 1 ампер.

Исходя из данного определения, величину магнитной индукции можно определить по формуле:

где F – сила, действующая на проводник с током, в ньютонах; I – сила тока в проводнике в амперах; l – длина проводника в метрах.

За единицу измерения магнитной индукции в Международной системе единиц принята тесла, имеющая размерность вольт-секунда на квадратный метр.

Вольт-секунда на квадратный метр есть магнитная индукция такого однородного магнитного поля, в котором на расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям прямолинейный проводник длиной в один метр с током в один ампер действует сила, равная одному ньютону.

При графическом изображении магнитного поля магнитную индукцию можно характеризовать густотой магнитных силовых линий.

8. магнитный поток это определенное количество индукции магнитного поля в какой-либо области пространства.Магнитный поток обозначается буквой Ф и выражается в таких единицах, как вебер, и обозначается [Bб].

Магнитный поток можно сравнить с потоком жидкости, протекающей через ограниченную поверхность. Если взять трубу, и в этой трубе протекает жидкость, то, соответственно, через площадь сечения трубы будет протекать определенный поток воды.

Магнитный поток по такой аналогии характеризует, какое количество магнитных линий будет проходить через ограниченный контур. Этот контур это и есть площадка, ограниченная проволочным витком или, может быть, какой-либо другой формой, при этом обязательно эта площадь - ограниченная.

Рис.. В первом случае магнитный поток максимален. Во втором случае – равен нулю.

На рисунке изображены два витка. Один виток – это проволочный виток, через который проходят линии магнитной индукции. Как видите, этих линий здесь изображено четыре. Если бы их было гораздо больше, то мы бы говорили, что магнитный поток будет большой. Если бы этих линий было меньше, например, мы бы нарисовали одну линию, то тогда бы мы могли сказать, что магнитный поток достаточно мал, он небольшой.

И еще один случай: тогда, когда виток располагается таким образом, что через его площадь не проходят магнитные линии. Такое впечатление, что линии магнитной индукции скользят по поверхности. В этом случае можно сказать, что магнитный поток отсутствует, т.е. нет линий, которые пронизывали бы поверхность этого контура.

Магнитный поток характеризует весь магнит в целом (либо другой источник магнитного поля). Если магнитная индукция характеризует действие в какой-то одной точке, то магнитный поток – весь магнит целиком. Можно сказать о том, что магнитный поток – это вторая очень важная характеристика магнитного поля. Если магнитную индукцию называют силовой характеристикой магнитного поля, то магнитный поток – это энергетическая характеристика магнитного поля.

Вернувшись к экспериментам, можно сказать о том, что каждый виток катушки можно представить как отдельный замкнутый виток. Тот самый контур, через который и будет проходить магнитный поток вектора магнитной индукции. В этом случае будет наблюдаться индукционный электрический ток.

Т.о., именно под действием магнитного потока создается электрическое поле в замкнутом проводнике. А уже это электрическое поле создает не что иное, как электрический ток.

9. Величина, характеризующая способность вещества намагничиваться, называется магнитная проницаемость (µ). Она показывает, во сколько раз магнитная индукция в данном веществе больше или меньше магнитной индукции в вакууме.За единицу измерения магнитной проницаемости в Международной системе единиц принят 1 генри на метр.

Магнитная проницаемость среды равна 1 гн/м, если в точке, удаленной от оси проводника с током на 1 метр, при силе тока, равной 2π ампера, магнитная индукция равна 1 тесле. Свойство тела пропускать через себя магнитный поток называется магнитной проницаемостью. Магнитному потоку легче пройти через воздух, чем через немагнитное тело.

Чтобы иметь возможность сравнивать различные вещества по их магнитной проницаемости, принято считать магнитную проницаемость воздуха равной единице.

Вещества, у которых магнитная проницаемость меньше единицы, называются диамагнитными. К ним относятся медь, свинец, серебро и др.

Алюминий, платина, олово и др. обладают магнитной проницаемостью немного больше единицы и носят название парамагнитных веществ.

Вещества, магнитная проницаемость которых значительно больше единицы (измеряется тысячами), называются ферромагнитными. К ним относятся никель, кобальт, сталь, железо и др. Из этих веществ и их сплавов делают всевозможные магнитные и электромагнитные приборы и детали различных электрических машин.

Практический интерес для техники связи представляют специальные сплавы железа с никелем, получившие название пермаллоев.

10. Напряжённость магнитного поля, векторная физическая величина (Н), являющаяся количественной характеристикой магнитного поля. Сила, с которой магнитное поле притягивает железные тела, пропорциональна значению протекающего по проводнику тока. Если провод уложен в виде катушки, то эта сила тем больше, чем больше витков имеет катушка. Произведение силы тока I на число витков w катушки называют ампер – витками. Оно равно магнитодвижущей силе (м.д.с.) катушки, измеряемой в амперах (А). Ампер – витки Iw, приходящиеся на единицу длинны l катушки, называют напряженностью магнитного поля Н:

(1)

Единица измерения напряженности магнитного поля

11. СОЛЕНОИД) - цилиндрическая катушка, состоящая из большого числа намотанных вплотную друг к другу витков проводника. При пропускании через соленоид электрического тока внутри и вне соленоида возникает магнитное поле, напряженность которого пропорциональна силе тока и (приближенно) числу витков. Соленоид с магнитным сердечником представляет собой электромагнит.

Соленоид – это катушка индуктивности в виде намотанного на цилиндрическую поверхность изолированного проводника, по которому течёт электрический ток. Электрический ток в обмотке создает в окружающем пространстве магнитное поле соленоида.

Соленоид становится магнитом.

Железные опилки притягиваются к концам катушки при прохождении через нее электрического тока и отпадают при отключении тока

Сила магнитного поля катушки с током зависит от числа витков катушки, от силы тока в цепи и от наличия сердечника в катушке. Чем большее число витков в катушке и чем больше сила тока, тем сильнее магнитное поле. Железный сердечник, введенный внутрь катушки с током усиливает магнитное поле катушки

Если подвесить соленоид на нити, то он повернется и сориентируется в магнитном поле Землиподобно свободно вращающейся магнитной стрелке.

Конец соленоида, из которого магнитные линии выходят, становится северным полюсом, а другой конец, в который магнитные линии входят, - южным полюсом магнита-соленоида. Графически изображение магнитного поля соленоида похоже на магнитное поле полосового магнита.

Магнитные линии магнитного поля катушки с током замкнутые кривые и направлены снаружи катушки от северного полюса к южному полюсу. Внутри соленоида, длина которого значительно больше диаметра, магнитные линии магнитного поля параллельны и направлены вдоль соленоида. Здесь магнитное поле однородно, его напряжённость пропорциональна силе тока и числу витков. Внешнее магнитное поле соленоида неоднородно. Соленоид с сердечником во внутренней полости представляет собой электромагнит.Электромагнит – это устройство, состоящее из токопроводящей обмотки и ферромагнитного сердечника, который намагничивается при прохождении по обмотке электрического тока и притягивающегося якоря. Обмотка выполняется из изолированного алюминиевого или медного провода. Существуют также электромагниты с обмоткой из сверхпроводящих материалов. Сердечники изготавливают из стали или чугуна, или железоникелевых ( железокобальтовых ) сплавов, которые с целью уменьшения вредных вихревых токов выполняют не цельными, а из набора листов. Дуугообразный электромагнит используется для поднятия тяжестей. Через катушку пропускается электрический ток, в результате намагничивается сердечник и притягивает якорь с подвешенным грузом.

12. Проволочная катушка становится магнитом, если через проволоку пропускать электрический ток. Чем больше сила тока в катушке и число витков в неё, тем сильнее этот магнит. Такой магнит называют электромагнитом. Электромагнит – это устройство, состоящее из токопроводящей обмотки и ферромагнитного сердечника, который намагничивается при прохождении по обмотке электрического тока и притягивающегося якоря. Чтобы магнитное поле электромагнита стало ещё сильнее, внутрь катушки электромагнита помещают железный сердечник.

13. Магнитные цепи

Всякий электромагнит состоит из стального сердечника – магнитопровода и намотанной на него катушки с витками изолированной проволоки, по которой проходит электрический ток. Совокупность нескольких участков: ферромагнитных (сталь) и неферромагнитных (воздух), по которым замыкаются линии магнитного потока, составляют магнитную цепь. Магнитная цепь — последовательность Магнетиков, по которым проходит магнитный поток.

14. повторяется, вопрос №8

15. Гистерезис: что это?

Свойство тел запаздывать (отставать) по магнетизму от намагничивающей или размагничивающей силы называется гистерезисом. Явление гистерезиса обычно сопровождается гудением вследствие колебаний от быстро чередующихся друг за другом перемен полярности магнитного потока.

Гистерезис есть явление вредное, так как при нём на преодоление задерживающей силы требуется затрата энергии.Гистерезис достигает значительной величины в сердечниках из стали и чугуна и сравнительно незначителен в мягком железе.

На изображение нижеприведены кривые намагничивания и размагничивания железа, которое, как известно, при увеличении напряжения магнитного поля (Н) (например помощью увеличения тока, питающего электромагнит) увеличивает свою магнитную индукцию (В) или, как говорят, намагничивается. Если после того будет предпринято размагничивание железа (например путём уменьшения тока, питающего электромагнит, до 0), то, как оказывается, кривая размагничивания железа A1 d1 благодаря влиянию задерживающей силы не будет совпадать с кривой намагничивания ОА1 (будет отставать от неё), причём, даже после полного прекращения намагничивания (точка d1) в железе останется некоторая доля магнетизма («остаточный» магнетизм), величина которого будет характеризоваться отрезком Od1. А для того, чтобы в железе остаточный магнетизм совершенно уничтожить, придётся начать перемагничивать его, то есть намагничивать в противоположном направлении. Тогда наступит момент (точка е2), когда железо будет вполне свободно от магнетизма, на что, конечно, придется затратить некоторую энергию для преодоления задерживающей магнетизм силы. Мерою задерживающей силы, может служить отрезок Ое1: чем он будет больше, тем сильнее задерживается магнетизм в железе, и тем труднее его размагнитить.

В том случае, если пожелают произвести намагничивание железа в противоположном направлении и затем дальнейшее размагничивание его, то указанные явления будут изображены кривыми е1А2 и A2d2, подобными предыдущим, но построенными в противоположном направлении. Остаточное намагничивание в данном случае будет характеризоваться точкой d2, причём отрезок d20 будет служить мерой остаточного магнетизма в железе, для уничтожения которого придётся начать намагничивание в том же направлении, что и ранее, преодолевая задерживающую силу, пропорциональную отрезку Ое2. Дальнейшее увеличение намагничивающей силы вызовет снова намагничивание железа до предела насыщения (кривая е2A1), после которого может быть предпринято снова размагничивание его и т.д.

Имея кривые перемагничиваыия, подобные изображенным на рисунке выше, для различных сортов данного материала, можно судить о том, насколько тот или другой сорт его лучше в смысле затрат энергии на гистерезис.

Особенное значение приобретает гистерезис в электромагнитах, питаемых переменным током, так как их сердечники таким током беспрерывно перемагничиваются.

16. Если в поле (или электромагнита) поместить проводник с током, который создает свое собственное магнитное поле, то оба магнитных поля, взаимодействуя между собой, создадут силу, которая стремиться вытолкнуть проводник из поля. Как видно на рисунке №1 А, магнитные силовые линии поля и проводника слева от него совпадают по направлению и их полностью здесь больше, чем справа от проводника где магнитные силовые линии проводника идут навстречу линиям поля и ослабляют одна другую. Проводник выталкивается из магнитного поля вправо. Если изменить направление тока в проводнике (рисунок №1 Б), то направление силы также изменится.

Сила с которой поле действует на проводник,

(1)

F - электромагнитная сила, (Н);

В - магнитная индукция поля, (Т);

I – сила тока в проводнике (А);

l – действующая в поле длина проводника (м).

Для определения направления силы, действующей в магнитном поле, применяют правило левой руки: если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца совпадали с направлением тока проводнике, то большой палец укажет направление действия силы, приложенной к проводнику.

Если два проводника с током расположить рядом друг с другом, то их магнитные поля будут взаимодействовать. Когда токи в двух параллельных проводах направлены в одну сторону (рисунок №2 А), то проводники притягиваются. Когда же токи направлены в разные стороны, проводники отталкиваются (рисунок №2 Б).

Сила взаимодействия проводников, по которым проходят токи,

(2),

где I1 и I2 – силы токов в проводниках, (А); l – длина, на которой проводники взаимодействуют, (м); а – расстояние между осями проводников, (м).

как видно из формулы №2 , если токи в проводниках равны, сила взаимодействия пропорциональна квадрату тока. Поэтому при коротких замыканиях в обмотках электрических аппаратов возникают очень большие усилия между витками, приводящие к механическим повреждениям аппаратов.

17. Ампер исследовал, как будет вести себя проводник, скрученный в кольцо – виток. Оказалось, что виток с током ведет себя подобно магнитной стрелке (см. Рис. 5).

Рис. 5. Магнитное поле кругового тока

Это значит, что на виток с током в магнитном поле, скажем, между двумя полюсами магнита, будет действовать момент сил, стремящийся развернуть виток с током так, чтобы его плоскость была перпендикулярна магнитным линиям. Опыт показывает, что угол разворота рамки с током зависит от величины тока в рамке и от самих магнитов, или силы магнитного поля (см. Рис. 6). Следовательно, такой виток с током, или, как говорят, круговой ток, можно использовать для анализа силовых свойств магнитного поля.

Рис. 6. Принцип работы электродвигателя

Виток с током в магнитном поле. Если поместить в магнитное поле не проводник, а виток (или катушку) с током и расположить его вертикально (рис. 50, а), то, применяя правило левой руки к верхней и нижней сторонам витка, получим, что электромагнитные силы F, действующие на них, будут направлены в разные стороны. В результате действия этих двух сил возникает электромагнитный вращающий момент М, который вызовет поворот витка, в данном случае по часовой стрелке. Этот момент

M = FD (49)

где D — расстояние между сторонами витка.

Виток будет поворачиваться в магнитном поле до тех пор, пока он не займет положение, перпендикулярное магнитным силовым линиям поля (рис. 50, б). При таком положении через виток будет проходить наибольший магнитный поток. Следовательно, виток или катушка с током, внесенные во внешнее магнитное поле, всегда стремятся занять такое положение, чтобы через виток проходил возможно больший магнитный поток. Свойство витка и катушки с током поворачиваться в магнитном поле широко используется в электротехнике; электрические двигатели и ряд электроизмерительных приборов работают по этому принципу.

Рис.1Сгущение и разрежение магнитных силовых линий при наличии в магнитном поле проводника с током.

Рис. 2.Электромагнитные силы,действующие в магнитном поле на виток или катушку с током

Для увеличения вращающего момента в электрических двигателях применяют не один виток, а несколько. Эти витки, соединенные соответствующим образом, образуют обмотку якоря электродвигателя.

18.1) Правило буравчика служит для определения направления магнитных линий (линий магнитной индукции) вокруг прямого проводника с током. Расположение полюсов электромагнита можно определить с помощью правила буравчика.

Само правило звучит так: когда направление буравчика, двигающегося поступательно, совпадает с направлением тока в исследуемом проводнике, направление вращения ручки этого буравчика такое же, как и направление магнитного поля тока.

2)Его же называют — правило правой руки и в этом контексте определение куда понятней. Если обхватить провод правой рукой так, чтобы четыре пальца были сжаты в кулак, а большой указывал вверх (то есть так, как мы обычно показываем рукой «класс!»), то большой палец укажет, по какому направлению движется ток, а другие четыре пальца – направление линий магнитного поля

3)Правило левой руки позволяет определить направление действия силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током. Правило левой руки: если магнитный поток будет направлен в ладонь, а пальцы указывают направление тока в проводнике, то отведенный большой палец покажет направление силы Ампера.

19. Электромагнитная индукция —возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

21. Известно, что проводник, по которому течет электрический ток, окружен магнитным полем. Если изменять величину или направление тока в проводнике или размыкать и замыкать электрическую цепь, питающую проводник током, то магнитное поле, окружающее проводник, будет изменяться. Изменяясь, магнитное поле проводника пересекает этот же самый проводник и наводит в нем э. д. с. Это явление называется самоиидук ц и е й. Сама индуктированная э. д. с. называется э. д. с. самоиндукции. Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре [1]при изменении протекающего через контур тока.

При изменении тока в контуре пропорционально меняется[2] и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром[3]. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС.

Это явление и называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем).

Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Этим свойством ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции.

22. Взаимоиндукция (взаимная индукция) — возникновение электродвижущей силы (ЭДС индукции) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. Наведение ЭДС в одной катушке, вызванное изменением тока в другой, называется взаимоиндукцией.Взаимоиндукция — частный случай более общего явления — электромагнитной индукции. При изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока через (воображаемую) поверхность, "натянутую" на контур второго, созданного магнитным полем, порожденным током в первом проводнике, что по закону электромагнитной индукции вызывает возникновение ЭДС во втором проводнике. Если второй проводник замкнут, то под действием ЭДС взаимоиндукции в нём образуется индуцированный ток. И наоборот, изменение тока во второй цепи вызовет появление ЭДС в первой. Направление тока, возникшего при взаимоиндукции, определяется по правилу Ленца. Правило указывает на то, что изменение тока в одной цепи (катушке) встречает противодействие со стороны другой цепи (катушки).

Чем большая часть магнитного поля первой цепи пронизывает вторую цепь, тем сильнее взаимоиндукция между цепями. С количественной стороны явление взаимоиндукции характеризуется взаимной индуктивностью (коэффициентом взаимоиндукции, коэффициентом связи). Для изменения величины индуктивной связи между цепями, катушки делают подвижными. Приборы, служащие для изменения взаимоиндукции между цепями, называются вариометрами связи.

Явление взаимоиндукции широко используется для передачи энергии из одной электрической цепи в другую, для преобразования напряжения с помощью трансформатора.

23Вихревые токи или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного поля..

Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть замкнуты в кольце.

Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы.

В соответствии с правилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и т. п., а также в некоторых конструкциях поездов, для торможения.

ПрименениеТепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах — в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нём возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления.

С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками. Появление ферритов сделало возможным изготовление этих проводников сплошными.