ТЕМА 3. ЭЛЕТРОМАГНЕТИЗМ.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Магнитное поле создается токами и намагниченными телами и оказы­вает воздействие на токи и намагниченные тела.

В разных областях техники целенаправленно исполь­зуются те или иные свойства и особенности магнитного поля. Так, в магнитной подвеске транспортных средств (позволяющей достигнуть скоростей до 500 км/ч) исполь­зуются силовые свойства магнитного поля, в магнитной дефектоскопии — способность магнитного поля изменять свои характеристики в местах дефектов стальных деталей, в магнитном охлаждении (позволяющем достигать темпе­ратур 10 ^-3 К) — способность веществ резко охлаждаться при быстром выключении магнитного поля, в магнитном обогащении железных и марганцевых руд — способность магнитного поля воздействовать на ферромагнитные мате­риалы и

т.д. Выделились даже отдельные отрасли науки, такие как магнитооптика, магнитобиология, магнитная гидродинамика и др.

В электротехнике используются силовые и энергети ческие способности магнитного поля как материального «посредника» при преобразованиях энергии в электриче­ских машинах, трансформаторах, электроизмерительных приборах, электромагнитах.

В физике магнитное поле образно изображают замкну­тыми силовыми линиями и считают, что совокупность, т. е. количество, сумма этих линий, есть магнитный поток Ф (его можно сравнить с дождевым потоком либо свето­вым).

Единица магнитного потока — вебер (Вб). Интенсивность магнитного поля в отдельных точках оценивается плотностью магнитного потока Ф/S, назы­ваемой магнитной индукцией:

В = Ф/S, (3.1)

где S — площадь поперечного сечения магнитного потока (см. рис. 3.1) однородного поля.

Силовые линии магнитного поля принято называть ли­ниями магнитной индукции. Однородным (равномерным) называется магнитное поле, во всех точках которого одинаковая магнитная индукция.

Единица магнитной индукции — тесла (Тл).

Векторы магнитной индукции направлены по касатель­ной к линиям магнитной индукции.

На рис. 3.2, а показаны магнитные поля прямо­линейного провода с током и витка (контура) с током.

Рис. 3.2

За положительное направление магнитного поля условно принято направление северного полюса магнитной стрел­ки, расположенной в магнитном поле. Проще всего на­правление магнитного поля определить по правилу правой руки: 1) если отставленный под прямым углом в плоскости ладони большой палец правой руки совместить с направлением тока, то четыре пальца, охватывающие прямолинейный провод, покажут направление поля; 2) ес­ли четыре пальца правой руки совместить с направлением тока в витке (обмотке), то большой палец, отставленный под прямым углом в плоскости ладони, покажет направ­ление поля.

Способность токов создавать в окружающей их среде магнитный поток характеризуется физической величиной, называемой магнитодвижущей силой F. Направ­ление МДС совпадает с направлением линий магнитной индукции и рассматривается вдоль замкнутых контуров.

Единица МДС, как и токов, которые ее создают,— ампер (А).

Значение МДС определяется значением токов, которые ее создают, и не зависит от размеров и конфигурации контуров, вдоль которых она берется.

По правилу правой руки токи I₁ и I₂ стремятся создать МДС по часовой стрелке, а ток I₃ — против часовой стрел­ки.

Поэтому, результирующая МДС F= I₁+I₂ -I₃, а в общем случае

F=ΣI (3.2)

Алгебраическая сумма токов ΣI, пронизывающих поверхность, ограниченную контуром, называется полным током. Выражение (3.2) отражает закон полного тока: МДС вдоль контура равна полному току, проходящему сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

В соответствии с законом полного тока для магнитной цепи

(см.рис. 3.1)

F = Iw, (3.3)

где w — число витков обмотки электромагнита.

3.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИЛЫ

Одним из способов создания электромагнитных сил является магнитоэлектрический способ, при ко­тором осуществляется взаимодействие магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника с током. На магнитоэлектрическом принципе основано действие ряда электроизмерительных приборов, электродвигателей и других устройств.

Направление электромагнитной силы определяется по правилу левой руки: если в ладонь левой руки вхо­дят линии магнитной индукции поля, а вытянутые четыре пальца совпадают с направлением тока, то отогнутый под прямым углом (в плоскости ладони) большой палец левой руки указывает направление электромагнитной силы (1).

Если увеличить ток I провода, или его длину l, или маг­нитную индукцию В однородного поля, то прямо пропор­ционально этим величинам возрастет электромагнитная сила, т. е.

F_м = BIl (3.10)

Особый интерес представляет поведение в магнитном поле контура с током (например, витка обмотки электро­измерительного прибора или электродвигателя).

Электромагнитные силы, действующие на противоположные стороны

кон­тура, равны (рис.3.17)т. е. F₁=F₄, F₂ = F₃ Поэтому контур перемещаться не будет.

Чтобы пара сил F₁, F₄ создала вращающий момент (рис. 3.18), контур нужно расположить так, чтобы линии индукции В_к собственного магнитного поля контура находились под углом α к линиям индукции В внешнего поля. При этом под действи­ем пары сил F₁, F₄ контур с током стремится занять поло­жение, при котором его пронизывает максимальный магнитный поток внешнего поля и собственное поле контура совпадает по направлению с внешним (2).

Направление собственного поля контура, определенное по правилу правой руки, встречно внешнему. Поэтому контур в соответствии с положением (2) повернется на 180°.

При перемещении провода с током I длиной l на рас­стояние d в однородном магнитном поле (рис. 3.20) совершается работа

А = Fd = IBld = IBS = IФ,

где Ф — магнитный поток, который пересек провод при движении.

Работа электромагнитных сил при повороте контура определяется

следующим образом:

А=1∆Ф, (3.13)

где ∆Ф — приращение магнитного потока, пронизывающе­го контур.