Магнитное поле и его характеристики

Известно, что в каждом электрическом аппарате и в каждой электрической машине для нормальной работы должен существовать магнитный поток, поэтому при конструировании любого электрооборудования возникает необходимость в материалах, которые были бы хорошими проводниками магнитного потока и создавали бы нужную для работы конфигурации магнитного поля. Для этого служат магнитные материалы, которые в электрических машинах и аппаратах выполняют роль проводников магнитного потока, или как их называют, магнитопроводов. Они же могут служить и источниками магнитного потока.

Из сказанного следует, что магнитные материалы являются основой современных генераторов, двигателей, трансформаторов, приборов автоматики и измерительной техники. От качества магнитных материалов зависят габариты электрических машин и их мощность на единицу веса.

Чтобы понять, что происходит в веществе при помещении его в магнитное поле, рассмотрим сначала кратко основные характеристики магнитного поля, а затем – процессы намагничивания вещества.

Известно, что движущиеся электрические заряды создают вокруг себя особый вид материи – магнитное поле. Магнитное поле обладает энергией и способно проникать через многие вещества и через вакуум. В качестве основной количественной оценки магнитного поля принято считать плотность магнитного потока – магнитную индукцию B. В системе СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). Магнитная индукция – векторная величина, которая в каждой точке поля имеет свою величину и направление. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки, помещенной в данную точку магнитного поля.

Величина магнитной индукции определяет силу, действующую на проводник с током, и величину индуктированной ЭДС в движущемся проводнике. Силовое действие магнитного поля на практике используется в электродвигателях, а индукционное действие в электрогенераторах и трансформаторах.

Поскольку магнитное поле создается движущимися зарядами, т.е. электрическим током, то магнитная индукция пропорциональна току, создающему данное магнитное поле . Чем больше величина электрического тока, тем сильнее магнитное поле, т. е. тем больше величина магнитной индукции.

Количественная связь магнитного поля с электрическим током в вакууме для замкнутого контура выражается опытным законом:

,

где w – число витков, по которым протекает ток I;

– индукция в каждой точке замкнутого контура в вакууме .

Коэффициент пропорциональности для вакуума m₀ = 4p10^-7 Гн/м называют магнитной постоянной. Величину Iw называют магнитодвижущей силой (МДС). Часто ее обозначают буквой F. МДС измеряется в амперах (А). Данное уравнение выражает непрерывную связь магнитного поля и электрического тока.

МДС, приходящаяся на единицу длины линии магнитного поля , обозначается H и называется напряженностью магнитного поля. Напряженность магнитного поля измеряется в А/м. Таким образом, связь магнитной индукции с напряженностью магнитного поля для вакуума будет иметь вид:

Все приведенные выше рассуждения относились к случаю, когда мы рассматривали магнитное поле в вакууме или в воздухе (магнитные свойства воздуха практически такие же как и вакуума). Магнитное поле в вакууме определялось только токами, протекающими в проводах. Эти токи называют внешними. Если внешние токи создают магнитное поле в каком-либо веществе, то вещество за счет своей намагниченности определенным образом изменяет магнитное поле внешних токов, создавая свое добавочное магнитное поле. Это добавочное магнитное поле существует благодаря вращению электронов вещества по орбитам вокруг положительно заряженных ядер и вокруг собственной оси.

Движение электронов внутри атома или молекулы можно рассматривать как элементарные внутриатомные и внутримолекулярные токи. Поэтому добавочное магнитное поле, возникающее в результате намагничивания вещества, называют полем элементарных (внутренних) токов. Эти токи обладают магнитными моментами. Магнитный момент m равен произведению циркулирующего тока i на площадь S, охватываемую этим током:

При орбитальном движении электронов в атомах возникают орбитальные магнитные моменты, а при вращении электронов вокруг своей оси – спиновые (вращательные или торсионные) магнитные моменты. Результирующий орбитальный магнитный момент определяют путем суммирования орбитальных магнитных моментов отдельных атомов.

При рассмотрении процессов намагничивания вещества вместо магнитных моментов чаще бывает удобнее пользоваться понятием дополнительного тока намагничивания , вызванного действием всех электронов, вращающихся вокруг положительно заряженных ядер вещества.

При отсутствии внешнего магнитного поля внутримолекулярные токи в веществе направлены в разные стороны и результирующее действие их равно нулю. Когда же на вещество воздействует внешнее магнитное поле, то все внутримолекулярные токи ориентируются в одну сторону и создают дополнительный ток . Дополнительный ток, приходящийся на единицу длины в веществе обозначают J и называют намагниченностью вещества. Намагниченность равна сумме всех элементарных токов на единицу длины и измеряется так же как и напряженность магнитного поля в А/м. Таким образом, результирующее магнитное поле в веществе складывается из двух полей: поля внешних токов I и поля внутренних токов .