Занятие 25.Магнитные свойства веществ

а) Ферромагнетики, диамагнетики и пара­магнетики

Вещества, помещенные в магнитное поле, ведут себя по-раз­ному. Такие вещества, как золото, серебро, медь, цинк и ряд дру­гих, незначительно ослабляют магнитное поле внутри вещества. Их называют диамагнетиками.

Платина, магний, алюминий, хром, палладий, щелочные ме­таллы, кислород и др. наоборот незначительно увеличивают маг­нитное поле. Они называются парамагнетиками.

Вещества, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз. превосходить вызвавшее его внешнее поле, называются ферромагнетиками. К ним относятся железо (Fe), кобальт (Со), никель (Ni), некоторые редкоземельные элементы, а также сплавы на базе этих элементов.

В электротехнике принято подразделять все вещества на маг­нитные (ферромагнетики) и немагнитные (диамагнетики и пара­магнетики).

Ферромагнетизм обусловлен наличием в веществе маленьких намагниченных областей — до­менов, в которых магнитные моменты атомов имеют одно и то же направление. Каждый домен является маленьким магнитом.

Ферромагнетик состоит из большого числа доменов, которые при отсутствии внешнего магнитного поля ориентированы про­извольным образом, так что ферромагнетик остается немагнит­ным.

При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле домены, направление которых близко к направлению силовых линий внешнего поля, начинают расти, а домены, намагничен­ные против внешнего поля, уменьшаются и, наконец, исчезают.

При дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля все домены устанавливаются вдоль силовых линий поля, наступает магнитное насыщение и намагниченность почти не растет.

Если теперь уменьшить напряженность внешнего поля до нуля, то ориентация доменов нарушится лишь частично, поэтому на­магниченность ферромагнетика уменьшается, но не до нуля.

Что­бы уничтожить остаточную намагниченность образца, нужно при­ложить внешнее поле противоположного направления. Напряженность такого магнитного поля называют коэрцитивной силой Н_с .

б) Магнитная индукция и напряженность магнитного поля ферромагнетиков

Для расчета индукции магнитного поля В в ферромагнетике используют выражение, которое учитывает способность к намаг­ничиванию материала,

где: Н — напряженность внешнего магнитного поля;

m_r - относительная магнитная про­ницаемость материала;

m_a - абсолютная магнитная проницаемость материала.

B – магнитная индукция

- магнитная постоянная

Для ферромагнетиков m_r » 1, в то время как в немагнит­ных материалах m_r = 1.

в) Характеристики магнитных материалов

Основными характеристиками ферромагнетиков являются кри­вая намагничивания В(Н) и петля гистерезиса (рис. 24.2)

Рассмотрим процесс переменного намагничивания маг­нитного материала.

Для этой цели намотаем на стальной сердеч­ник обмотку и будем по ней пропускать постоянный ток. Пред­положим, что сердечник электромагнита ранее не был намагни­чен.

Рис.25.1. Схема опыта

Увеличивая проходящий по виткам обмотки ток I от нуля, мы тем самым будем увеличивать намагничивающую силу и напряженность поля Н.

Величина магнитной индукции Всердечнике бу­дет также увеличиваться.
Кривая намагничивания Оа имеет прямоли­нейную часть, а затем вследствие насыщения кривая поднимается медленно, при­ближаясь к горизонтали.
Если теперь, достигнув точки а , уменьшать Н, то будет уменьшаться и В. Однако уменьшение Впри уменьше­нии Н, т. е. при размагничивании, будет происходить с запазды­ванием по отношению к уменьшению Н. Величина остаточной индукции при Н=0 характеризуется отрезком Об.

Рис.25.2. Петля гистерезиса.

Для того чтобы магнитная индукция в сердечнике стала рав­ной нулю, необходимо намагничивать материал в обратном на­правлении, т. т.е. перемагничивать его.

Для этой цели направление тока в обмотке меняется на обратное. Направление магнитных линий и напряженности поля также изменяется. При напряжен­ности поля Н=ов,индукция в сердечнике равна нулю и мате­риал сердечника полностью размагничен.

Значение напряжен­ности поля Н = овпри В = 0 является определенной характери­стикой материала и называется задерживающей (коэрцитивной) силой.

Повторяя процесс перемагничивания, мы получаем замкну­тую кривую а б в г д е а, называемую петлей гистерезиса.

На этом опыте легко убедиться, что намагничивание и размагничи­вание сердечника (появление и исчезновение полюсов, магнитной индукции или магнитного потока) отстают от момента появле­ния и исчезновения намагничивающей и размагничивающей силы (тока в обмотке электромагнита

Если величина напряженности магнитного поля превышает значение, при котором наступает магнитное насыщение, т. е. Н_max > H_S, то размеры петли больше не увеличиваются, растут только безгистерезисные участки (а и г см. на рис. 24.2.) Такая петля назы­вается предельной петлей гистерезиса.

Намагничивание ферромагнитного материала, впервые поме­щенного в магнитное поле, происходит по линии оа. Точки в и е предельной петли гистерезиса соответствуют коэрцитивной силе Н_с(-Н_с), а точки б и д дают значения остаточной индукции В_г(-В_г).

Рис.25.3. Петли гистерезиса магнитомягких и магнитотвердых материалов

В зависимости от значения коэрци­тивной силы все магнитные материалы принято делить на магнитомягкие (кривая 1 рис.24.3;) и магнитотвердые (кривая-2).

Магнитомягкие материалы имеют малую коэрцитивную силу и узкую петлю гистерезиса. К этой группе относят электротехническую сталь, пермаллои, ферриты. Приме­няют эти материалы в таких электротехнических устройствах, как электрические машины, трансформаторы, электрические аппа­раты и др.

Магнитотвердые материалы имеют большую коэрцитивную силу и широкую петлю гистерезиса. Будучи намагниченными, они со­храняют намагниченность и после снятия намагничивающего поля. Из таких материалов изготовляют постоянные магниты, которые широко применяются в различных устройствах.

У26. Классификация, элементы и характеристики магнитных цепей

Для электрических машин и многих электротехнических уст­ройств основным функциональным элементом является магнит­ная система. Обычно магнитную систему представляют в виде маг­нитной цепи.

Магнитная цепь содержит источники магнитного поля, систе­му магнитопроводов из ферромагнитного материала, другие ве­щества или воздушный зазор, по которым замыкается магнитный поток (рис. 25.1).

Рис.26.1. Неразветвленная магнитная цепь

В качестве источника магнитного поля обычно применяется катушка с числом витков w₁ , по которой протекает ток I.

Обмотка с током возбуждает магнитное поле и характеризуется магнито­движущей силой (МДС)

Где: F – магнитодвижущая сила, А

I - сила тока, А

w – количество витков катушки.

Единицей МДС является ампер (А), еще эту единицу называют ампер-виток.

В магнитной цепи МДС играет такую же роль, как ЭДС в электрической.

Проводя аналогию с электрической цепью, отметим, что в магнитной цепи магнитопровод играет роль проводов, а роль на­грузки играет, как правило, воздушный зазор, в котором для функ­ционирования устройства необходимо создать определенное магнитное поле.

Магнитная цепь может быть неразветвленной (см. рис. 25.1)и разветвленной (см. рис. 25.2).

Рис.26.2. Разветвленная магнитная цепь

Реальная магнитная цепь характеризуется не только магнитным потоком Ф, протека­ющим по магнитопроводу, но и потоками рассеяния Ф„ а также выпучиванием магнитных силовых линий в области воздушного зазора.

Обычно при анализе магнитных цепей пользуются следую­щими допущениями: индукция В принимается постоянной по се­чению; пренебрегают потоками рассеяния и выпучиванием; вво­дят среднюю длину различных участков магнитопровода.