2. Магнитное поле проводника с током и способы его усиления

При прохождении тока по прямолинейному проводнику вокруг него возникает магнитное поле, магнитные силовые линии которого располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Направление магнитного поля всегда находится в строгом соответствии с током. Направление магнитных силовых линий определяют по правилу буравчика.

Пример: если ток проходит по проводнику в направлении от нас за плоскость листа, то магнитное поле, возникающее вокруг этого проводника, направлено по часовой стрелке. Если ток по проводнику проходит по направлению от плоскости листа книги к нам, то магнитное поле направлено против часовой стрелки.

Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле. При изменении направления тока, магнитное поле изменяет свое направление тоже.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. След., индукция магнитного поля и его напряженность уменьшаются.

Напряженность в пространстве, окружающем проводник:

Н=I/2×π×R

где R – расстояние рассматриваемой точки от оси провода.

Способы усиления магнитных полей: для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с токами и выполняют их в виде ряда витков – катушка или обмотка. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются и их силовые линии соединяются в общий магнитный поток. При этом внутри катушки концентрация силовых линий возрастает, т.е. магнитное поле внутри нее усиливается. Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки. Катушка, обтекаемая током, представляет собой искусственный электрический магнит. Для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник – электромагнит (в электрических машинах, электроизмерительных приборах, электрических аппаратах).

Электромагниты могут иметь замкнутый или разомкнутый магнитопровод.

3. Магнитные свойства веществ

Все вещества в зависимости от магнитных свойств делят на:

- ферромагнетики (железо, никель, кобальт и их сплавы) -- _r1; обладают весьма высокой магнитной проницаемостью, хорошо притягиваются к магнитам и электромагнитам; Основные характеристики ферромагнетиков: кривая намагничивания, ширина петли гистерезиса и потери мощности при перемагничивании.

- парамагнетики (алюминий, олово, хром, марганец, вольфрам) -- _r1; притягиваются к магнитам в тысячи раз слабее, чем ферромагнетики;

- диамагнетики (медь, золото, вода, воздух) – _r1; к магнитам не притягиваются, а отталкиваются.

В природе существуют постоянные магниты, магнитные силы которых обусловлены молекулярными токами, движением электронов внутри атомов. У некоторых веществ, называемых ферромагнетиками (железо, никель и т.д.), атомы в кристаллах вещества ориентируются таким образом, что движение валентных электронов происходит в одном направлении (рисунок ). При этом внутри магнита молекулярные токи компенсируют друг друга. Некомпенсированными молекулярные токи остаются только на боковой поверхности магнита. В результате получается, что боковую поверхность магнита как бы обтекает электрический ток, и на поддержание этого тока не надо затрачивать энергию, т.к. электроны внутри атома движутся без сопротивления.

Намагничивание – процесс направленного ориентирования под действием внешнего магнитного поля элементарных магнитных диполей и групп одинаково ориентированных диполей в направлении поля.

Кривая показывает изменение индукции В с увеличением напряженности Н, если материал не был предварительно намагниченным – кривая первоначального намагничивания. Т.к. напряженность магнитного поля определяется силой тока, посредством которой намагничивается материал, эту кривую можно рассматривать как зависимость индукции от намагничивающего тока I.

Кривую намагничивания можно разбить на три участка: Оа – магнитная индукция возрастает почти пропорционально намагничивающему току (напряженности поля); аб, на котором рост магнитной индукции замедляется («колено» кривой намагничивания), и участок магнитного насыщения за точкой б, где зависимость В от Н становится опять прямолинейной, но характеризуется весьма медленным нарастанием магнитной индукции при увеличении напряженности поля по сравнению с первым и вторым участками кривой.

Следовательно, при большом насыщении ферромагнитные вещества по способности пропускать магнитный поток приближаются к неферромагнитным материалам (магнитная проницаемость их резко уменьшается). Магнитная индукция, при которой происходит насыщение, зависит от рода ферромагнитного материала. Чем больше индукция насыщения ферромагнитного материала, тем меньший намагничивающий ток требуется для создания в нем заданной индукции и, следовательно, тем лучше он пропускает магнит­ный поток.

Магнитную индукцию в электрических машинах, аппаратах и приборах выбирают в зависимости от предъявляемых к ним требований. Если необходимо, чтобы случайные колебания намагничивающего тока мало влияли на магнитный поток данной машины или аппарата, то выбирают индукцию, соответствующую условиям насыщения (например, в генераторах постоянного тока с параллельным возбуждением). Если же желательно, чтобы индукция и магнитный поток изменялись пропорционально намагничивающему току (например, в электроизмерительных приборах), то выбирают индукцию, соответствующую прямолинейному участку кривой намагничивания.

Перемагничивание ферромагнитных материалов, петля гистерезиса. Большое практическое значение, особенно в электрических машинах и установках переменного тока, имеет процесс перемагничивания ферромагнитных материалов. На рис. 47, б показан график изменения индукции при намагничивании и размагничивании ферромагнитного материала (при изменении намагничивающего тока I или напряженности магнитного поля Н).

После точки а происходит насыщение, т.е. все домены сориентированы по направлению магнитного поля, поэтому возрастание Н не приводит к увеличению В.

Участок Аб – уменьшение Н и соответственно уменьшение В.

При напряженности поля Н=0 магнитная индукция называется остаточной (отрезок Об).

При изменении направления намагничивающего тока меняется и направление напряженности поля.

Полученный при перемагничивании вещества график В(Н) называется петлей гистерезиса.

Рисунок 6

Т.о., при циклическом перемагничивании ферромагнетика зависимость В=f(Н) графически представляется замкнутой кривой – симметричной петлей гистерезиса.