ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА 7 глава

· Магнитную индукцию можно наглядно представить,, если усло­виться изображать ее графически количеством магнитных линий, приходящихся на единицу площади (см2 или м2)) намагниченного материала, перпендикулярной направлению магнитных линий. Так, если на 1 см2 поверхности ферромагнитного материала приходится 2500 магнитных линий (2500 гс = 0,25 вб/м2), а на 1 см2 другого ма­териала приходится 7500 магнитных линий (7500 гс=0,75 вб/м2), то магнитная индукция во втором материале больше магнитной индук­ции в первом материале в три раза. Чем больше магнитная индук­ция, тем гуще расположены магнитные линии.

·

·

· § 37. НАПРЯЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

·

· Возьмем проводник, свитый в виде спирали, и пропустим по нему электрический ток. Вокруг каждого витка такой спирали, которую называют соленоидом[7], возникнут магнитные линии. Эти линии, складываясь, образуют общее магнитное поле (рис. 32,а).

· Магнитное поле катушки (соленоида) имеет большое сходство с магнитным полем прямолинейного постоянного магнита. У катушки, так же как у постоянного магнита, есть два полюса — северный и южный.

· Чем больше ток в катушке и чем больше число ее витков, тем сильнее создаваемое магнитное поле.

· Намагничивающая сила катушки, по виткам которой протекает электрический ток, равна произведению числа витков W обмотки на силу тока I, протекающего по ней.

· F=IW.

· Намагничивающую силу иногда называют магнитодвижущей силой.

· Если одна катушка имеет обмотку из 1000 витков проволоки и по ней протекает ток 0,5 а, а другая катушка имеет 3000 витков и по ним протекает ток такой же силы, то первая катушка обладает намагничивающей силой

·

· а намагничивающая сила второй катушки

·

· т. е. в три раза больше.

· Для характеристики условий возбуждения магнитного поля при­меняют величину, называемую напряженностью магнитного поля.

· Напряженность магнитного поля катушки зависит от силы тока, протекающего по ее виткам, числа витков, а также от ее геометри­ческих размеров.

·

· где l — средняя длина магнитной линии, м (рис. 32, б);

· H — напряженность магнитного поля (в СИ измеряется в а/м).

· Величина, в 80 раз большая 1 а/м, называется эрстедом. Это единица измерения напряженности магнитного поля в системе CGSM (1 э = 80 а/м).

· Приведенная формула позволяет определить напряженность поля катушки, если длина последней во много раз (в 10—20 и бо­лее) больше ее диаметра.

· Пример. Обмотка, намотанная на цилиндрический каркас длиной l=0,3 м, состоит из 1800 витков и по ним протекает ток l=0,2 а. Вычислить напряжен­ность магнитного поля внутри этой катушки.

· Решение. Напряженность магнитного поля внутри катушки

·

· Так как 1 э=80 а/м, то 1200 а/м— 15 э.

· Можно считать, что магнитная индукция В возникает под действием напря­женности магнитного поля H. Отношение зависит от магнитных свойств среды.

·

·

· § 38. МАГНИТНЫЙ ПОТОК

· Магнитное поле характеризуется также величиной, носящей название магнитного потока. Магнитный поток можно представить (если условиться изображать его графически) общим числом маг­нитных линий, проходящих через всю рассматриваемую поверх­ность. В частности, под магнитным потоком Ф, проходящим через площадь S, перпендикулярную магнитным линиям, понимают про­изведение величины магнитной индукции В на величину площади, которая пронизывается этим магнитным потоком.

· Ф = ВS.

· I

· Подставив в эту формулу значение магнитной индукции в тес­лах (1 тл =1 вб/м2) и значение площади в квадратных метрах, получим магнитный потоке веберах (СИ). Если величина магнитной индукции выражена в гауссах, а поперечное сечение материала в квадратных сантиметрах, то величина магнитного потока выразится в максвеллах — единицах системы CGSM.

·

· 1 мкс = вб , а 1 вб= 100 000 000 мкс

·

·

·

· Пример. Магнитная индукция стали В=1,5 тл, площадь поперечного сечения сердечника, изготовленного из этой стали, 0,003 м2. Вычислить магнитный поток, пронизывающий этот сердечник.

· Решение. Магнитный поток в сердечнике

· Ф=ВS=1,5x0,003=0,0045 вб.

· Так как 1 вб= 10⁸ мкс, то 0,0045 вб составляет 450 000 мкс. Это значит, что через сечение сердечника проходит 450 000 магнитных линий.

·

·

· § 39. НАМАГНИЧИВАНИЕ СТАЛИ. МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

·

· Для усиления магнитного поля и придания ему определенной формы в различных электрических

· машинах и аппаратах широко 1 применяют ферромагнитные материалы: железо, кобальт, никель и их сплавы — сталь и др.

·

· Если ферромагнитный материал поместить в катушку и пропус­тить по ее виткам электрический ток, то под воздействием магнит­ного поля, созданного током, материал намагнитится. Это значит, что в материале образуется собственное магнитное поле, получен­ное в результате сложения магнитных полей (магнитных моментов) отдельных атомов.

· Изменение силы тока в катушке приводит к изменению напря­женности ее магнитного поля Н, что вызывает изменение магнит­ной индукции В в сердечнике этой катушки.

· На рис. 33 показаны графики изменения магнитной индукции в зависимости от напряженности намагничивающего магнитного поля. Такие графики называются кривыми намагничивания. Для различных материалов и их марок кривые намагничивания различ­ны. При небольших значениях напряженности поля Н магнитная индукция в материале быстро увеличивается, намагничивание про­исходит примерно пропорционально изменению напряженности, а затем, по мере увеличения напряженности магнитного поля, возрас­тание магнитной индукции материала замедляется.

· Состояние материала, при котором дальнейшее увеличение на­пряженности магнитного поля не приводит к возрастанию его на­магниченности, называется магнитным насыщением.

· Магнитные свойства материалов характеризуются их абсолют­ной магнитной проницаемостью μ_a. Она определяется отношением магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н и изме­ряется в генри/метр (гн/м).

·

·

· Абсолютная магнитная проницаемость вакуума μ_a = 4π10^-7 гн/м. Для воздуха и других неферромагнитных материалов она незначи­тельно отличается и при технических расчетах принимается равной 4 π 10^-7 гн/м. .

· Так как абсолютная магнитная проницаемость для вакуума и указанных выше материалов практически одинакова, то μ_a назы­вается магнитной постоянной μ₀.

· Абсолютная магнитная проницаемость μ_a ферромагнитных ма­териалов непостоянна и во много раз превышает магнитную прони­цаемость вакуума.

· Число, показывающее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость μ_a ферромагнитного материала больше магнитной постоянной μ₀, называется относительной магнитной проницае­мостью μ или сокращенно магнитной проницаемостью (табл. 3).

·

· Пример. Сталь в определенных условиях обладает абсолютной магнитной проницаемостью μ_a =0,0008792 гн/м. Вычислить относительную магнитную прони­цаемость μ этой стали.

· Решение. Магнитная постоянная μ₀ =4.π10^-7 г/м, тогда относительная магнитная проницаемость

·

·

· Как видно из кривых намагничивания (см. рис. 33), способность материалов намагничиваться – их магнитная проницаемость - в слабых магнитных полях велика, а затем с ростом индукции постепенно уменьшается.

· Следовательно, магнитная проницаемость ферромагнитных материалов — величина изменяющаяся, зависящая от степени их на­магничивания.

·

· При одной и той же напряженности магнитного поля магнитная индукция в стали больше, чем в чугуне. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость стали больше магнитной проницаемости чугуна.

· Магнитная индукция прямо пропорциональна напряженности поля Н и абсолютной магнитной проницаемости μ_a намагничиваемого материала:

·

·

·

· Пример. Напряженность магнитного поля катушки Н=750 а/м, а абсолютная магнитная проницаемость сердечника μ_a =0,0008792 гн/м. Определить магнитную индукцию сердечника.

· Решение. Магнитная индукция В= μ_aН=0,0008792х750==0,65 тл. Так как 1 тс=10 000 гс, то 0,65 тл=6500 гс.

·

·

· § 40. ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ СТАЛИ. КОЭРЦИТИВНАЯ СИЛА

·

· Катушка (рис. 34), имеющая тороидальный сердечник, подклю­чена через двойной переключатель П к источнику постоянного тока. Для изменения тока, протекающего по катушке, в цепь включен реостат Р, а для измерения тока — амперметр А. Если изменить реостатом силу тока в катушке, то изменится напряженность магнитного поля и магнитная индукция сердечника (см. рис. 34).

· С увеличением тока в катушке намагничивание сердечника (магнитная индукция) будет возрастать и при напряженности поля H₁ наступит его магнитное насыщение (точка А). Магнитная индукция достигнет значения В₁. По мере уменьшения тока сталь будет размагничиваться, так как при снижении напряженности магнитного поля магнитная индукция уменьшается. Однако умень­шение магнитной индукции будет происходить не по кривой начального намагничивания ОА, а по, другой кривой АБ, расположенной выше ОА.

· Когда сила тока, уменьшаясь, станет равной нулю, намагничи­вающее поле катушки также будет равно нулю, магнитная же индукция в сердечнике еще не достигнет нуля, а сохранит некоторое значение, определяемое отрезком ОБ. Этот отрезок характеризует величину остаточной магнитной индукции В_ост.

· Сохранение намагниченности материалом при отсутствии внеш­него магнитного поля называется остаточным магнетизмом.

· Чтобы полностью размагнитить стальной сердечник, необходимо создать магнитное поле противоположного направления. Для этого по обмотке тороида пропускают ток в противоположном направле­нии (поставив переключатель П в положение 2—2).

· С увеличением тока, протекающего в противоположном направ­лении, напряженность поля отрицательного направления будет воз­растать и при значении напряженности, равном отрезку ОС, остаточная магнитная индукция В станет равной нулю, а сердечник окажется полностью размагниченным.

·

·

· Явление отставания изменений магнитной индукции ферромаг­нитного материала при перемагничивании от изменения напряжен­ности поля называется гистерезисом[8].

· Отрезок ОС характеризует сопротивляемость стали размагничи­ванию и называется коэрцитивной (задерживающей) силой (Нс) намагниченного материала.

· При дальнейшем увеличении тока в катушке напряженность поля будет возрастать и вновь наступит магнитное насыщение сер­дечника (точка Г).

· Уменьшение тока в катушке будет размагничивать сердечник, и при Н=0 остаточная индукция (остаточный магнетизм) станет равной отрезку ОД.

· При повторном изменении направления тока (для этого пере­ключатель П следует перевести в положение 1—1) и его увеличе­нии сердечник снова размагнитится.

· Напряженность поля будет равна отрезку ОЕ. В случае даль­нейшего увеличения тока, а следовательно, и напряженности поля Магнитная индукция вновь достигнет значения, соответствующего точке А на первоначальной кривой намагничивания.

· Повторение процесса перемагничивания стали происходит по! замкнутой кривой АБСГДЕ, которая называется циклической кри­вой намагничивания или петлей гистерезиса (рис. 34, б).

·

· [8] Гистерезис — греческое слово, означающее запаздывание.

·

· § 41. ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ НА ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ

·

· Многие детали электрических машин и трансформаторов (см, гл. VII, VIII, IX и X) подвергаются перемагничиванию.

· Перемагничивание материала связано с потерями электриче­ской энергии, которая превращается в тепло, вызывающее нагрева­ние магнитных материалов.

· Количество энергии, расходуемой на перемагничивание стали (на гистерезис), пропорционально площади петли гистерезиса. Для уменьшения потерь на перемагничивание в машинах и аппаратах с переменным намагничиванием выгодно применять магнитные ма­териалы с малой площадью петли гистерезиса.

· В зависимости от свойств магнитные материалы делятся на магнитно-мягкие и магнитно-жесткие.

· К магнитно-мягким относятся материалы, с малой коэрцитивной силой, высокой магнитной проницаемостью и незначительными по­терями при перемагничивании.

· Основные характеристики некоторых магнитно-мягких материа­лов приведены в табл. 4.

·

·

· К магнитно-жестким материалам относятся ферромагнитные сплавы, обладающие большой коэрцитивной силой и остаточной индукцией. Они используются для изготовления постоянных магнитов, которые применяют в электроизмерительных приборах, микро­фонах и многих других устройствах. В настоящее время для изго­товления постоянных магнитов преимущественно применяют спла­вы железа с никелем, никель-алюминиевые сплавы (сплавы альни, альнико и магнико), а также кобальтовую сталь.

·

·

· § 42. ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

·

· Если в соленоид поместить стальной сердечник и пропустить по его виткам электрический ток, то сердечник намагничивается и при­обретает магнитные свойства, которыми обладает постоянный магнит.

· Соленоид со стальным сердечником называется электромагни­том. При размыкании цепи обмотки электромагнита его стальной сердечник размагничивается.

· Магнитное поле электромагнита во много раз сильнее поля со­леноида. Это объясняется тем, что намагниченный сердечник из ферромагнитного материала создает свое магнитное поле, которое, складываясь с магнитным полем соленоида, значительно увеличи­вает общее магнитное поле, образуемое током.

·

·

· Для определения направления магнитных линий поля электро­магнита пользуются правилом буравчика. Практически для опре­деления полюсов электромагнита применяют магнитную стрелку.

· Мощные электромагниты, подвешенные к подъемным кранам, служат для переноса изделий из стали и ее сплавов. Электромаг­ниты применяют на станочном оборудовании, в электродвигателях и во многих других устройствах. На сверлильных и плоскошлифо­вальных станках используют электромагнитные плиты (рис. 35). В такой плите помещается электромагнит, подключаемый к источ­нику постоянного тока. Электромагнит удерживает обрабатывае­мое ферромагнитное изделие на станке. После обработки детали выключают ток и снимают изделие со станка.

· На использовании электромагнита основано действие электро­магнитного пресса, значительно повышающего производительность труда при штамповке изделий. Пресс (рис. 36) состоит из электромагнита 1, укрепленного на корпусе 4, подвижного якоря 3, ползуна 2 и возвратной пружины. При прохождении тока по обмотке электромагнита якорь преодолевает сопротивление воз­вратной пружины и притягивается к электромагниту. При этом приходит в движение ползун 5, совершающий ударное действие на обрабатываемый прессом материал 6.

· При выключении электромагнита якорь вместе с ползуном при помощи спиральной пружины приходит в исходное положение. При повторном замыкании цепи электромагнита пресс произведет вырубку очередной детали. Установив определенный режим замыкания и размыкания электромагнита пресса, процесс штамповки может быть автоматизирован.

· Электромагниты широко применяют в реле и искателях, которые получили большое распространение в устройствах автоматики.

· Электромагнитное реле — это прибор приводимый в действие небольшим электрическим током. Реле при срабатывании замыкает и размыкает своими контактными пружинами электрические цепи относительно большой мощности.

·

·

· Электромагнитные реле делятся на простые и поляризованные. Основными частями простого электромагнитного реле (рис. 37, а) являются электромагнит с сердечником, якорь, мостик и контактные пружины. При прохождении электрического тока через обмотку стальной сердечник 2 намагничивается и притягивает к себе 1 якорь 3. Последний своим мостиком 4 действует на контактные пружины 5, к которым подключаются провода от управляемых электрических цепей. Если ток в обмотке выключить, сердечник размагничивается и якорь приходит в первоначальное положение. Контакты I реле при этом вновь переключаются. Так как реле может иметь несколько пар контактных пружин, то оно (при срабатывании) одно-, временно может управлять несколькими различными объектами, присоединенными к контактам.

· Рассмотрим схему применения простого электромагнитного реле (рис. 37,6) для автоматической сигнализации о ходе того или иного производственного процесса.

· В цепи обмотки реле Р находится батарея Б и кнопка К_н. Цепь контактов К₁ и К₂, в которую включена сигнальная лампа, в спокойном положении замкнута, и лампа горит.

· Цепь контактов К₃ и К₄, к которой подсоединен электрический звонок Зв, в спокойном положении разомкнута. Когда кнопка разомкнута, сигнальная лампа горит, указывая на то, что производственный процесс протекает нормально.

· При нарушении производственного процесса специальное уст­ройство замкнет кнопку и по обмотке реле Р потечет ток. В резуль­тате этого якорь реле притянется к сердечнику и переключит кон­тактные пружины реле. Контакты К₁ и К₂ разомкнутся и сигналь­ная лампа погаснет, а контакты К₃ и К₄, цепи звонка замкнутся и зазвонит звонок. Это укажет обслуживающему персоналу, что про­изводственный процесс нарушен. После устранения причин, нару­шивших ход процесса, кнопка К_н разомкнётся и разорвет цепь об мотки реле.

·

· При этом якорь отойдет от сердечника реле, а контакты цепи звонка разомкнутся и звонок перестанет звонить.

· Поляризованное электромагнитное реле состоит из электромаг­нита и постоянного магнита. В таком реле образуется два магнит­ных потока. Один из них — рабочий-—создается электромагнитом, а другой — вспомогательный — постоянным магнитом. Основными частями поляризованного реле (рис. 38) являются постоянный маг­нит 1, намагничивающие катушки 2 (электромагниты), стальной сердечник 5, якорь 4, помещенный на оси 3, и контактные винты 6, между которыми перемещается якорь с контактами 7.

· Магнитный поток магнита разветвляется на два потока Ф₁ и Ф₂ и намагничивает концы сердечника (одноименная полярность).

· При отсутствии тока (сигнала управления) в обмотке 2 реле якорь 4 находится в одном из крайних положений и замыкает один из контактных винтов 6. В таком состоянии якорь удерживается сердечником силой притяжения магнитного потока постоянного магнита. Допустим, что якорь находится у левого контакта. Для перемещения якоря в правое положение необходимо по обмотке реле пропустить ток (сигнал управления) в таком направлении, чтобы созданный током, протекающим по правой обмотке, магнитный поток Ф складывался с магнитным потоком Ф₁ а магнитное поле левой катушки вычиталось из магнитного потока Ф₂ и ослабило его.

·

· В этом случае величина пра­вой части магнитного потока (Ф_э + Ф₁) будет больше потока левой части (Ф­э — Ф₂); якорь реле притянется к правому концу сердечника и быстро переместится в правое положение.

· Чтобы якорь оказался в пер­воначальном положении (левом), необходимо пропустить по его обмотке ток в противоположном направлении. Тогда намагниченность левой части сердечника реле (Фэ+Ф₂) усилится, а намагниченность правой части сердечника (Фэ — Ф₁ ) ослабится.

· Таким образом, срабатывание поляризованного реле зависит от направления тока в его обмотке.

· На этом свойстве основано применение поляризованного реле. Оно используется для того, чтобы по одному проводу передавались две различные команды, например «включено» и «выключено» или «да» и «нет» и др.

· Для работы реле требуется весьма небольшой ток, а время сра­батывания его очень мало.

·

·

· § 43. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ.

· Связь между электрическими и магнитными явлениями под­тверждается тем, что при движении проводника (витка) в магнитном поле или при изменении магнитного потока вокруг него в про­воднике (витке) индуктируется (наводится) электродвижущая сила. Под действием индуктированной э. д. с. в замкнутом провод­нике возникает электрический ток. Возникновение э. д. с. индукции можно проследить на следующем опыте.

· Между полюсами магнита будем перемещать проводник А Б -пересекая магнитные линии (рис. 39, а). Стрелка электроизмери­тельного прибора, присоединенного к этому проводнику, отклонится. Если проводник остановить между полюсами магнита или перемещать его вдоль магнитных линий, то стрелка прибора не отклонится. Из этого опыта следует, что при пересечении проводником магнитных линий в нем индуктируется э. д. с. индукции.

· Проделаем еще один опыт. Поместим магнит в проволочную катушку и присоединим к ней гальванометр (рис. 39, б). Если быстро вынуть магнит из катушки, то стрелка прибора отклонится и затем станет в исходное положение. Если также быстро вставить магнит в катушку, то стрелка прибора вновь отклонится, но в про­тивоположном направлении. Следовательно, и в случае перемеще­ния магнита относительно проводника в последнем возникает э. д. с. индукции.

· Направление э. д. с. индукции можно определить по правилу правой руки (рис. 40), которое заключается в следующем: если ладонь правой руки расположить так, чтобы магнитные линии вхо­дили в нее, а большой палец указывал направление движения про­водника в магнитном поле, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуктированной э. д. с.

· Величина индуктированной э. д. с, возникающей в проводнике при пересечении им магнитных линий, зависит от магнитной индук­ции В, рабочей длины l проводника и скорости его движения в Магнитном поле. Эту зависимость можно выразить формулой