Тема 1.3 Електромагнетизм

Магнітне поле - це матеріальне середовище , яке діє на електричні заряди що рухаються і на тіла, які мають магнітні властивості . Виявити магнітне поле можна за допомогою магнітної стрілки . Напрямок , який вказує північний кінець магнітної стрілки, прийнято за напрямок магнітного поля. Штучний магніт має два полюси: південний та північний. їх розділяє не намагнічена нейтраль. Однойменні полюси відштовхуються, різнойменні притягуються. Навколо кожного магнітного полюса є магнітне поле (рис. 1.20), в якому магнітні силові лінії виходять із північного полюса і входять у південний шляхом найменшого магнітного опору.

Рис. 1.20 - Магнітний полюс і його силові лінії

Вздовж силової лінії діє магнітна сила поля. Навколо кожного проводу зі струмом є магнітне поле, напрям силових ліній якого визначають за правилом свердлика (рис. 1.21). Якщо свердлик спрямувати за напрямом струму, то напрям силових ліній магнітного поля проводу зі струмом буде збігатися з напрямом, у якому крутиться рукоятка свердлика.

Рис.1.21 - До визначення напряму силових ліній

Магнітний потік створюється кількістю магнітних силових ліній, що проходять перпендикулярно через площину S. Позначається літерою Ф, вимірюється у веберах.

Магнітна індукція характеризує щільність магнітних силових ліній, що проходять через площину S. Позначається літерою В, вимірюється у теслах і визначається за формулою:

B= Ф/S.

Намагнічувальна сила позначається літерою F, вимірюється в амперах і визначається за формулою:

F = I·W

де W — кількість витків котушки зі струмом.

Напруженість магнітного поля показує, яка намагнічувальна сила припадає на кожний метр довжини поля. Позначається літерою H, вимірюється в А/м і визначається за формулою:

В вакуумі індукція зв’язана з напруженістю магнітного поля через абсолютну проникність вакууму μ₀, яка називається магнітною постійною:

,

де μ₀ = 4π·10 ^-7≈1,26·10^-6 Ом·с/м=1,26·10^-6 Гн/м.

В конкретному середовищі індукція зв’язана з напруженістю магнітного поля через абсолютну проникність вакууму μ_абс:

Абсолютна магнітна проникність характеризує здатність речовини намагнічуватися. Позначається літерою μ_абс, вимірюється в Ом·с/м.

Відносна магнітна проникність μ показує, к скільки разів абсолютна магнітна проникність речовини більша за сталу магнітну проникність вакууму:

Відносна магнітна проникність μ є безрозмірною величиною. Залежно від значення відносної магнітної проникності всі речовини поділяються на діамагнітні μ<1 (мідь), які не намагнічуються, парамагнітні μ>1 (алюміній) , які трохи намагнічуються , і феромагнітні (сталь) , яку добре намагнічуються μ ≈ 10² - 10⁵.

Магнітний опір позначається літерою , вимірюється в 1/Ом·с і визначається за формулою:

,

де l-довжина, м; S- площа, . Тобто опір магнітопроводу (осердя) залежить від речовини і тим більший, чим більша його довжина, і тим менший, чим менша його площа.

Закон Ома для магнітного кола:

Закон повного струму: .

Ці закони використовуються для розрахунку магнітних кіл.

Намагнічування сталевого осердя. Щоб збільшити намагнічувальну силу, провід намотують на котушку. Чим більше витків, тим більша намагнічувальна сила.

Щоб збільшити щільність магнітних силових ліній (індукцію), у котушку зі струмом вставляють сталеве осердя з малим магнітним опором, яке накопичує магнітну енергію і називається дроселем. Сталеве осердя у дроселі - це «посуд», який накопичує магнітну енергію.

Чим більша сила струму в котушці, тим більше намагнічується осердя (рис. 1.22). Коли осердя («посуд») намагнічене до краю, настає магнітне насичення. Насичене осердя («посуд» наповнений) має великий магнітний опір, навіть більший, ніж опір повітря. Магнітні силові лінії, які не вміщаються в осерді, замикаються через повітря, внаслідок чого виникають великі втрати магнітної енергії. Це має місце у перевантажених двигунах і трансформаторах, що зменшує їхній коефіцієнт корисної дії.

Рис. 1.22 - Намагнічування осердя:

а – схема намагнічування;

б – крива намагнічування

Магнітне поле котушки зі струмом втягує сталеві осердя у котушку, оскільки силові лінії котушки спрямовані всередину. Це використовується в електромагнітних реле. Напрям силових ліній котушки зі струмом визначають за правилом правої руки. Якщо на котушку покласти праву руку так, щоб чотири витягнуті пальці показували напрям струму, тоді відігнутий великий палець покаже напрям силових ліній всередині котушки, тобто північний полюс.

В електромагнітних реле, в яких осердя електромагніта замикається рухомою частиною магнітопроводу, силу тяги кожного полюса електромагніта визначають за формулою:

,

де В — індукція, тл; S — площа, м².

Розмагнічування та перемагнічування сталевого осердя. Розмагнітити осердя можна, вставляючи його у котушку, через яку протікає постійний струм у зворотному напрямі, або вставляючи його у котушку із змінним струмом, а також за допомогою дроселів, які живляться змінним струмом.

Перемагнічування сталевого осердя відбувається у трансформаторах, машинах і апаратах змінного струму. Якщо осердя намагнітити постійним струмом до насичення (рис. 1.23), а потім зменшити силу струму до нуля, то побачимо, що крива розмагнічування буде зверху кривої намагнічування.

Рис.1.23 - Циклічне перемагнічування матеріалів

Коли сила струму дорівнюватиме нулю, то в осерді буде ще залишкова магнітна індукція. При певному мінусовому значенні напруженості В (коерцетивна сила) магнітна індукція дорівнюватиме нулю.

Доведено, що процес розмагнічування повільніший, ніж процес намагнічування, тобто тут має місце явище магнітного гістерезису (відставання) — розмагнічування від намагнічування. Внаслідок цього за допомогою постійного струму створюються постійні магніти.

Якщо мінусове значення напруженості збільшувати, то настане мінусове насичення В, тобто полюси перемагнітяться.

Якщо осердя розмагнітити, а потім знову намагнітити у полюсовому значенні В, то одержимо петлю гістерезису. Площа петлі гістерезису пропорційна енергії, витраченій на один цикл перемагнічування. Ця енергія витрачається на нагрівання осердя. Залежно від площі петлі гістерезису всі магнітні матеріали поділяються на магнітом'які та магнітотверді. Магнітом'які матеріали мають вузьку петлю гістерезису і використовуються у трансформаторах, дроселях, електричних машинах та електричних апаратах. Магнітотверді матеріали мають широку петлю гістерезису і використовуються для постійних магнітів.

Перетворення електричної енергії у механічну. Магнітна індукція. Якщо провід зі струмом внести у магнітне поле постійного магніту, то в результаті взаємодії силових ліній магнітних полів навколо проводу створиться результуюче магнітне поле, яке з одного боку проводу матиме більшу густину силових ліній, а з другого — меншу. Внаслідок цього створюється механічна сила:

де В — індукція; l — довжина проводу; — кут між лініями магнітного поля постійного магніту та проводом. Ця механічна сила буде виштовхувати провід у бік меншої густини силових ліній (рис. 1.24).

Рис. 1.24 - До пояснення перетворення електричної енергії в механічну.

Напрям виштовхування проводу зі струмом з постійного магнітного поля визначають за правилом лівої руки. Якщо долоню лівої руки покласти так, щоб чотири витягнуті пальці показували напрям струму, то відігнутий великий палець покаже напрям виштовхування проводу, тобто північний полюс. Це явище називається магнітною індукцією. Воно використовується в електродвигунах, де проводи зі струмом рухомого якоря виштовхуються магнітним полем нерухомого статора, внаслідок чого якір обертається.

Завдяки силам магнітної індукції два паралельні проводи зі струмом притягуються, якщо струми у проводах мають однаковий напрямок, і відштовхуються, якщо струми у проводах мають протилежний напрямок.

Перетворення механічної енергії в електричну. Електромагнітна індукція. Якщо обертати постійний магніт, нейтраль якого закріплена на осі так, щоб його магнітне поле перетинало нерухому обмотку, закріплену на осерді, що має вигляд кола, то механічна енергія обертання буде перетворюватися в електричну енергію обмотки, а цей пристрій стане електричним генератором змінного струму.

У такому генераторі має місце явище електромагнітної індукції. Під час обертання постійного магніту (ротора) механічною силою його магнітне поле буде перетинати нерухому обмотку статора. Обертаючись, північний полюс ротора пожене з обмотки статора вільні електрони в одному напрямі, а південний полюс — у протилежному. Отже, на виводах обмотки статора створюється змінна за напрямом е.р.с. електромагнітної індукції (рис. 1.25). Магнітне поле ротора жене через обмотку статора вільні електрони внаслідок взаємодії силових ліній магнітного поля статора з силовими лініями мікромагнітних полів вільних електронів.

Рис. 1.25 - До пояснення перетворення механічної енергії в електричну

Електрорушійна сила електромагнітної індукції в обмотці синусоїдально змінюється за величиною тому, що при обертанні ротора перед обмоткою змінюється магнітна індукція (щільність силових ліній). Якщо перед обмоткою обертається центр полюса ротора, то щільність силових ліній та е.р.с. досягають максимального значення. Якщо перед обмоткою обертається нейтраль ротора, то ці величини мають нульове значення. Електрорушійна сила електромагнітної індукції визначається за формулою:

де В — індукція; l — довжина проводу;α — кут між магнітними лініями та ротором; v — швидкість обертання.

Отже, обертаючи ротор у середині статора, одержують на виводах статора змінну за напрямом та величиною е.р.с. Якщо до обмотки генератора ввімкнути споживачів, то вони одержать змінний струм, сила якого залежатиме від опору споживачів.

Магнітне поле, утворене струмом в обмотках генератора індукованою е.р.с. буде мати напрям, протилежний обертанню основного магнітного поля , і спричинятиме гальмування ротора. Отже, чим більшу силу струму виробляє генератор, тим більше гальмується його ротор. Щоб запобігти гальмуванню, витрачається механічна енергія турбіни, яка обертає ротор генератора.

Самоіндукція, індуктивність. Взаємоіндукція. Вихрові струми. Якщо коло котушки вмикати чи вимикати або пропускати через котушку змінний струм, то змінюватиметься магнітне поле котушки, воно буде перетинати витки котушки, женучи при цьому її вільні електрони. Внаслідок цього на виводах з'явиться е.р.с. самоіндукції, яка визначається за формулою

де — швидкість зміни струму (мінус тому, що е.р.с. самоіндукції протидіє напрузі). Це явище і є самоіндукція.

Індуктивність котушки вимірюється у генрі - Ом·с і визначається за формулою:

де w — кількість витків.

Індуктивність котушки (обмотки) показує, як змінюється її опір при зміні в ній сили струму.

Електрорушійна сила самоіндукції діє таким чином.

· При вимиканні обмоток і дроселів створюється явище самоіндукції. Накопичена магнітна енергія перетворюється в електричну, її е.р.с. додається до напруги, і між контактами вимикачів збільшується різниця потенціалів, тому виникає іскра. Це явище використовується у системах запалювання двигунів автомобілів і в схемах люмінесцентних ламп.

· Коли по обмотці тече змінний струм, то внаслідок зміни магнітного поля обмотки виникає е.р.с. самоіндукції, яка протидіє напрузі і створює реактивний опір. Він збільшує спільний опір електричного пристрою.

Реактивний опір буде тим більший, чим більше ненасиченого осердя в обмотці. Енергія магнітного поля визначається за формулою:

Наприклад, котушка з осердям та без нього має на постійному струмі опір 18 Ом. На змінному струмі ця сама котушка без осердя має опір 25 Ом, а з осердям — 250 Ом. У деяких зварювальних трансформаторах за допомогою рухливого осердя регулюють силу зварювального струму.

Явище взаємоіндукції полягає в тому, що якщо в одній з близько розташованих котушок змінюється сила струму, то на виводах іншої виникає е.р.с. взаємоіндукції внаслідок того, що магнітне поле однієї котушки, рухаючись, перетинає витки іншої котушки. Явище взаємоіндукції використовується у трансформаторах. Електрорушійна сила взаємоіндукції вимірюється в генрі і визначається за формулою:

де М — взаємоіндуктивність.

Вихрові струми (струми Фуко) виникають у суцільних металевих осердях, вміщених у котушки зі змінним струмом від дії індукованих е.р.с. Вихрові струми нагрівають осердя. Щоб зменшити нагрівання осердя трансформаторів, електричних машин і апаратів, їх складають з окремих листів сталі, ізольованих один від одного. Вихрові струми використовують в електролічильниках, в електроплавильних печах.

Магнітне коло. Магнітопровід. У трансформаторах, електричних машинах та електричних апаратах магнітні силові лінії вміщуються у магнітному колі — магнітопроводі, якщо він ненасичений, що відповідає номінальному режиму. Але якщо сила струму може зрости і перевищити номінальну, тоді магнітне поле може зрости настільки, що не буде вміщуватися у магнітопроводі, бо магнітопровід стане насиченим. Такий режим називають перевантаженням.

Перевантаження характеризується тим, що частина магнітного поля, яка не вмістилася у магнітопроводі, потрапляє у повітря з дуже великим магнітним опором. Внаслідок цього значно збільшуються неефективні витрати магнітної енергії і зменшується коефіцієнт корисної дії електричного пристрою. Це має місце при пуску асинхронних двигунів, коли великий пусковий струм супроводжується малою силою тяги, тому що магнітопровід перенасичений. Якщо пристрій працює на змінному струмі, то при насиченні осердя зменшується реактивний опір обмотки пристрою, що призводить до збільшення значення сили струму, а це шкідливо для пристрою. Так, побутові трансформатори, які перетворюють подану на них напругу на нижчу, не можна використовувати для підвищення напруги, оскільки вони мають малий магнітопровід, який навіть у режимі холостого ходу перенасичується. Тому обмотка низької напруги споживає у режимі холостого ходу надмірну силу струму, а напруга на вторинній обмотці має значення нижче за номінальне.

Контрольні запитання

2. Як визначають напрям магнітних силових ліній?

3. Охарактеризуйте магнітні величини (магнітний потік, магнітну індукцію, намагнічувальну силу, напруженість магнітного поля, абсолютну магнітну проникність, відносну магнітну проникність, магнітний опір).

4. Які процеси виникають при перемагнічуванні сталевого осердя?

5. Як відбувається перетворення електричної енергії в механічну?

6. Як відбувається перетворення механічної енергії в електричну?

7. Охарактеризуйте явища самоіндукції, індуктивності, взаємоіндукції, вихрових струмів.