МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В НЕФЕРРОМАГНИТНОЙ СРЕДЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Магнитное поле – одна из двух сторон электромагнитного поля. Установлено, что вокруг проводника с током всегда существует магнитное поле, т.е. существование магнитного поля всегда указывает на наличие электрического тока.

Изображается магнитное поле с помощью силовых линий

Рис.31 Рис.32

На рис.31а показаны направления силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током. Видно, что они имеют форму концентрических колец, расположенных вокруг проводника в плоскости, перпендикулярной проводнику.

Магнитное поле в данной точке действует по касательной к магнитной силовой линии (точка А,В,С, рис. 31б). Направление действия поля можно определять по правилу буравчика – если направление поступательного движения совпадает с направлением движения тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление магнитного поля.

Вокруг катушки (рис.32) длиной , имеющей N витков , по которой проходит ток I, образуется магнитное поле. Внутри катушки силовые линии параллельны друг другу и такое магнитное поле является однородным.

Магнитное поле обладает следующими свойствами –

1) Силовые линии всегда замкнуты, следовательно, они не имеют ни начала, ни конца. Поэтому магнитное поле часто называют вихревым.

2) Силовые линии никогда не пересекаются друг с другом.

3) Магнитное поле проходит через любую среду и может действовать в любой среде.

4) Магнитные поля взаимодействуют между собой.

5) Магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы, На неподвижные частицы оно не действует.

6) Изменение магнитного поля приводит к возникновению поля электрического.

2. НАПРЯЖЕННОСТЬ И ИНДУКЦИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Один и тот же проводник с током создает в пространстве, заполненном веществом, и в вакууме магнитные поля разной интенсивности. Поле в вакууме характеризуется вектором Н, который получил название напряженности магнитного поля.

а б в

Рис.33

В качестве примера определим напряженность магнитного поля в точке А(рис.33а), отстоящей от центра прямолинейного проводника с током I на расстоянии х, большем радиуса r₀. Магнитная силовая линия, проходящая через точку А, есть окружность радиуса х. Длина этой окружности равна , а величина . Из этой формулы следует, что напряженность поля обратно пропорциональна расстоянию ( ) от выбранной точки до центра проводника.

На рис.33б показан график изменения напряженности поля Н в зависимости от расстояния х.

Напряженность поля внутри сечения проводника изменяется прямо пропорционально расстоянию от центра проводника, т.е. (где ) или .

График изменения Н внутри и вокруг проводника с током показан на рис.34б,в. Из рисунка следует, что напряженность магнитного поля максимальна на поверхности проводника, т. е. при х=r₀.

Напряженность поля на осевой линии цилиндрической катушки при (l -длина и d- диаметр катушки, соответственно),

(4-1)

(n- число витков на единицу длины).

Величина Н измеряется в А/м. 1 А/м = 4π 10^-3 Э (Э-эрстед).

Силовой характеристикой магнитного поля в какой-либо среде служит величина, называемая магнитной индукцией В. Величина В связана с напряженностью магнитного поля соотношением

В = μ_оμ Н, (4-2)

где μ_о=4π 10^-7Гн/м - магнитная постоянная или магнитная проницаемость вакуума, μ – относительная магнитная проницаемость μ=μ_с/μ₀.

Измеряется величина В в теслах (1Тл=1вб/м²=10⁴гс (гаусс)).

Для катушки . (4-3)

3. МАГНИТНЫЙ ПОТОК.

Число силовых линий, проходящих через поверхность S, называют магнитным потоком Ф (рис. 35).

рис.35

Причем

Ф = B S (4-4)

и измеряется в веберах [1вб]=1В 1с = 10⁸Мкс) (1Мкс=1максвелл).

Магнитный поток зависит от тока в проводнике (катушке), формы проводника, среды, в которой образуется поток.

Для цилиндрической катушки магнитный поток, пронизывающий один виток равен

Ф=B S, а суммарный поток, пронизывающийоднослойнуюкатушку с количеством витков N

Ф=B₁ S₁+ B₂ S₂ + B₃ S₃ + . . . . . . . + B _nS_n=Ф₁+Ф₂+Ф₃ . . . . .+Ф_n=N B S, (4-5)

т.к. Ф₁=Ф₂=Ф₃= . . . =Ф_n.

4. ИНДУКТИВНОСТЬ.

Индуктивность элемента электрической цепи равна отношению суммарного магнитного потока к току в проводнике

(4-6)

Так как ток всегда возбуждает магнитное поле, то любая электрическая цепь и любой ее элемент должны обладать индуктивностью. Только лишь в некоторых случаях влиянием индуктивности можно пренебречь.

Измеряется индуктивность в СИ – генри (Гн). 1Гн = В с/A= Ом с.

Индуктивность является параметром элемента цепи и не зависит от тока. Так для катушки

(4-7)

Этим подтверждается тот факт, что индуктивность катушки, находящейся в неферромагнитной среде (μ=1) и не имеющей ферромагнитного стержня, зависит только от конструктивных величин (N, S, ) и среды, в которой образуется магнитный поток, и является постоянной величиной, т.е. L=const.

5. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ. МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

Магнитное поле катушки определяется током и напряженность этого поля , а индукция поля . Т.е. индукция поля в вакууме пропорциональна величине тока. Если же магнитное поле создается в некой среде или веществе, то поле воздействует на вещество, а оно, в свою очередь, определенным образом изменяет магнитное поле.

Вещество, находящееся во внешнем магнитном поле, намагничивается и в нем возникает добавочное внутреннее магнитное поле. Оно связано с движением электронов по внутриатомным орбитам, а также вокруг собственной оси. Движение электронов и ядер атомов можно рассматривать как элементарные круговые токи.

Магнитные свойства элементарного кругового тока характеризуются магнитным моментом.

При отсутствии внешнего магнитного поля элементарные токи внутри вещества ориентированы беспорядочно (хаотически) и , поэтому общий или суммарный магнитный момент равен нулю и в окружающем пространстве магнитное поле элементарных внутренних токов не обнаруживается.

Влияние внешнего магнитного поля на элементарные токи в веществе состоит в том, что изменяется ориентация осей вращения заряженных частиц причем так, что их магнитные моменты оказываются направленными в одну сторону. (в сторону внешнего магнитного поля). Интенсивность и характер намагничивания у различных веществ в одинаковом внешнем магнитном поле значительно отличаются. Величину, характеризующую свойства среды и влияние среды на плотность магнитного поля, называют абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной проницаемостью среды (μ_с). Это есть отношение = . Измеряется [μ_с]=Гн/м.

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной μ_о=4π 10^-7 Гн/м.

Отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной называют относительной магнитной проницаемостью μ_c/μ₀ = μ. Т.е. относительная магнитная проницаемость – это величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды больше или меньше абсолютной проницаемости вакуума. μ - величина безразмерная , изменяющаяся в широких пределах. Эта величина положена в основу деления всех материалов и сред на три группы.

Диамагнетики. У этих веществ μ < 1. К ним относятся - медь, серебро, цинк, ртуть, свинец, сера, хлор, вода и др. Например, у меди μ_Cu = 0,999995. Эти вещества слабо взаимодействуют с магнитом.

Парамагнетики. У этих веществ μ > 1. К ним относятся – алюминий, магний, олово, платина, марганец, кислород, воздух и др. У воздуха = 1,0000031. . Эти вещества также, как и диамагнетики, слабо взаимодействуют с магнитом.

Для технических расчетов μ диамагнитных и парамагнитных тел принимается равной единице.

Ферромагнетики. Это особая группа веществ, играющих громадную роль в электротехнике. У этих веществ μ >> 1. К ним относятся железо, сталь, чугун, никель, кобальт, гадолиний и сплавы металлов. Эти вещества сильно притягиваются к магниту. У этих веществ μ = 600- 10 000. У некоторых сплавов μ достигает рекордных значений до 100 000. Следует отметить, что μ для ферромагнитных материалов непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля, вида материала и температуры.

Большое значение µ в ферромагнетиках объясняется тем, что в них имеются области самопроизвольного намагничивания (домены), в пределах которых элементарные магнитные моменты направлены одинаково. Складываясь, они образуют общие магнитные моменты доменов.

В отсутствие магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы хаотически и суммарный магнитный момент тела или вещества равен нулю. Под действием внешнего поля магнитные моменты доменов ориентируются в одну сторону и образуют общий магнитный момент тела, направленный в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле.

Эту важную особенность используют на практике, применяя ферромагнитные сердечники в катушках, что позволяет резко усилить магнитную индукцию и магнитный поток при тех же значениях токов и числа витков или, иначе говоря, сконцентрировать магнитное поле в относительно малом объеме.