Основные параметры магнитных цепей

Из курса физики известно, что любой проводник с током наводит вокруг себя магнитное поле. Таким образом, в пространстве, окружающем движущиеся электрические заряды и постоянные магниты, возникает магнитное поле.

В веществе магнитное поле возбуждается не только электрическими токами, текущими по проводам, но и движением заряженных частиц внутри самих атомов и молекул.

Атомы вещества, совершая беспорядочное тепловое движение, в отсутствие внешнего магнитного поля обычно ориентированы хаотически. В результате возбуждаемые ими магнитные поля компенсируют друг друга. При наложении внешнего магнитного поля атомы полностью или частично ориентируются в направлении этого поля, и тогда компенсация нарушается. В таких случаях говорят, что тело намагничено. Способность вещества намагничиваться характеризуется относительной магнитной проницаемостью μ. Вещества, у которых μ немного меньше единицы, называют диамагнетиками, у которых μ больше единицы – парамагнетиками. Наибольший практический интерес, с точки зрения магнитных свойств, представляют ферромагнетики, магнитная проницаемость которых во много раз больше единицы и достигает до 10⁵.

Магнитное поле в веществе может быть микроскопическим и макроскопическим. Микроскопическое поле – это истинное поле, возбуждаемое движущимися элементарными зарядами вещества. Оно резко меняется на расстоянии атомного масштаба. Макроскопическое поле получается из микроскопического путем сглаживания, то есть усреднения по физически бесконечно малым объемам пространства.

Магнитное поле наглядно изображается магнитными силовыми линиями, которые задают направление магнитного поля в пространстве. Эти линии не имеют ни начала, ни конца, то есть являются замкнутыми.

В пространстве, окружающем магнит за положительное направление силовых линий принято направление от северного полюса к южному. Чем сильнее магнитное поле, тем выше плотность силовых линий. Магнитное поле можно определить с помощью магнитной стрелки, которая в каждой точке поля устанавливается по касательной к силовой линии магнитного поля.

Силовые линии магнитного поля прямолинейного проводника с током имеют вид концентрических окружностей (рис. 16.1).

Направление магнитных силовых линий определяется правилом буравчика: если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения его рукоятки совпадает с направлением магнитного поля.

Для получения более сильного магнитного поля применяют катушки, которые представляют собой проволоку, намотанную на каркас. В этом случае магнитные поля отдельных витков катушки складываются и их силовые линии сливаются в общий магнитный поток (рис. 16.2).

Правило буравчика справедливо и для катушки, только в этом случае направление вращения рукоятки совпадает с направлением тока, а поступательное движение буравчика совпадает с направлением поля внутри катушки. Магнитные линии внутри катушки идут от южного полюса к северному, а вне ее от северного к южному.

Сила, с которой магнитное поле воздействует на тела, внесенные в него, называется намагничивающей или магнитодвижущей силой. Эта сила пропорциональна величине протекающего по проводнику тока. В катушке эта сила тем больше, чем больше число витков. Магнитодвижущая сила равна произведению силы тока на число витков ( ) и измеряется в ампер-витках.

Магнитодвижущая сила, приходящаяся на единицу длины магнитной силовой линии, называется напряженностью магнитного поля

.

В катушке такая напряженность будет внутри катушки, а вне ее из-за рассеивания магнитного потока она будет в два раза меньше.

Если сердечник катушки замкнуть в качестве тороида (рис. 16.3), то магнитные силовые линии будут полностью замыкаться в сердечнике, рассеивания не будет и формула будет справедлива в любой точке поля.

Интенсивность магнитного поля характеризуется магнитной индукцией. Магнитная индукция – величина векторная и в каждой точке поля численно равна силе, действующей на единичный элемент тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям:

.

Магнитная индукция измеряется в теслах: Тл = В∙с/м².

Микроскопические свойства магнитных материалов определяются намагниченностью. Намагниченность J – это магнитный момент единицы объема вещества, измеряется в А/м.

Связь между тремя характеристиками магнитного поля определяется соотношением

,

где μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м – магнитная постоянная вакуума.

Намагниченность представляет собой вектор, направление которого в каждой точке поля совпадает с направлением вектора напряженности :

,

где к – магнитная восприимчивость.

С учетом этого можно записать

.

Здесь

= μ μ₀ – абсолютная магнитная проницаемость;

– относительная магнитная проницаемость;

Для ферромагнитных материалов магнитная проницаемость зависит от напряженности поля .

Магнитный поток – это величина, определяемая произведением магнитной индукции на площадь сечения, перпендикулярного вектору магнитной индукции:

.

Магнитный поток измеряется в веберах [Вб].