Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Неразрывность электрического и магнитного полейСтр 1 из 10Следующая ⇒
Неразрывность электрического и магнитного полей Из курса физики известно, что электрическое и магнитное поля тесно связаны между собой. В природе существует единое электромагнитное поле, а чисто электрическое и чисто магнитное поля являются лишь его частными случаями. Магнитное поле во всех без исключения случаях создаётся движущимися зарядами (в т. ч. вращающимися вокруг атомов и смещающимися в диэлектрике) или токами. Переменное магнитное поле обладает свойством создавать (индуктировать) электрическое поле. Линии напряженности этого электрического поля нигде не начинаются и нигде не кончаются - они замкнуты. Переменное электрическое поле обуславливает электрический ток – явление направленного движения носителей электрических зарядов. Принцип непрерывности (замкнутости) электрического тока гласит, что электрический ток сквозь взятую в какой угодно среде замкнутую поверхность Sэ равен нулю, т. е. где - вектор плотности полного тока (проводимости, переноса и смещения). Но электрическое поле окаывает магнитному полю такую же услугу. Переменное электрическое поле создаёт магнитное поле. Линии магнитной индукции всегда непрерывны; они нигде не имеют ни начала, ни конца . Другими словами, магнитный поток сквозь любую замкнутую поверхность Sэ равен нулю, т. е. (магнитный поток, входящий в замкнутую поверхность, равен магнитному потоку, выходящему из этой поверхности). Таким образом, изменяющиеся электрическое и магнитное поля индуктируют друг друга. Взаимное индуктирование электрического и магнитного полей было открыто двумя великими учёными XIX в. Фарадеем и Максвеллом. Магнитная индукция Напомним, что магнитное поле - вид материи, характеризующийся воздействием на движущиеся электрически заряженные частицы с силой, пропорциональной заряду этой частицы и её скорости. Магнитное поле в пустоте, воздухе и других немагнитных средах определяется во всех точках векторами магнитной индукция (магнитного потока ) и напряжённости магнитного поля , а в ферромагнитных материалах - векторами индукции , напряженности и намагниченности Магнитная индукция - векторная величина, определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля в данной его точке. Магнитная индукция численно равна отношению силы , действующей на заряженную частицу, к произведению заряда q и составляющей скорости частицы, перпендикулярной к вектору силы, т. е. Силу, действующую на элемент длины прямолинейного проводника с током, определяют по закону Ампера Откуда значение магнитной индукции
Единица магнитной индукции
Кривые намагничивания Зависимость магнитной индукции В от напряжённости Н магнитного поля, т. е. В = f(Н), нелинейная (рис. 6.3) и не имеет аналитического выражения. Для оценки свойств ферромагнетиков строят кривые намагничивания
Петля гистерезиса При протекании переменного тока в катушке с ферромагнитным сердечником происходит (в течение каждого периода тока) перемагничивание сердечника, которое на графике выглядит в виде петли - петли гистерезиса (рис. 6.4, а). Если первоначально ненамагниченный ферромагнетик намагнитить до насыщения (кривая 1), а затем уменьшить и потом снова увеличивать напряженность магнитного поля Н (ток в катушке), то изменение индукции В не будет следовать начальной кривой: каждому значению напряжённости соответствуют два значения магнитной индукции в зависимости от того, увеличивается или уменьшается напряженность поля. Величину магнитной индукции ±Br, сохраняющуюся при Н = 0, называют остаточной индукцией; напряжённость магнитного поля ±Hc, при которой индукция обращается в нуль, называют коэрцитивной силой. На рис. 6.4 обозначено: ±Hmax и ±Bmax - максимальные напряжённость и индукция магнитного поля в ферромагнетике; 2 - основная кривая намагничивания ферромагнетика, проведенная через вершины семейства гистерезисных кривых (рис. 6.4, б), каждая из которых соответствует определённому значению Hmax. Приводимые в справочниках зависимости В(Н) – это основные кривые намагничивания. Они незначительно отличаются от кривых первоначального намагничивания. Постоянные магниты Постоянные магниты выполняют из литого чугуна, литой стали или из толстых штампованных листов стали с почти прямоугольной петлёй гистерезиса: с высокой остаточной индукцией Вr и большой коэрцитивной силой Hc (рис. 6.7, а). Они характеризуются левой ветвью: от Br = 1, 35…0, 6 Тл до - Нс (|Нс| = 40…200 кА/м), для которых энергия размагничивания на единицу объема
составляет 7…80 кДж/м3. Сила тяги электромагнита Определим силу тяги электромагнита с двумя одинаковыми полюсами, т. е. силу притяжения якоря (пластины или листа из ферромагнитного материала) к его полюсам (рис. 6.7, б). Как известно из повседневного опыта, якорь притягивается к полюсам магнита, т. к. магнитные силовые линии в зазорах между электромагнитом и якорем стремятся сократиться. При относительно небольших зазорах d между полюсами электромагнита и якорем можно считать неизменным магнитный поток Ф = Iw/RMЭ в электромагните, как и магнитную индукцию В и напряженности магнитного поля Н различных участков электромагнита. Механическая работа перемещения якоря может быть произведена в этом случае только за счёт уменьшения энергии BrНсV/2, заключенной в пределах некоторого объема V (в нашем случае V = 2dSм, где 2Sм - площадь полюсов электромагнита; d - длина зазора), делённой на перемещение якоря на величину dd (при этом объём уменьшается на 2Sмdd), т. е. , где Fс – в ньютонах [H]; Br » const в теслах [Тл]; Sм - в квадратных метрах. При наличии одного зазора между полюсом электромагнита и якорем, как в реле клапанного типа, следует учитывать площадь поверхности одного полюса. Трудность расчёта реальных электромагнитов заключается в трудности вычисления эквивалентного магнитного сопротивления RMЭ магнитной цепи с учётом неоднородности поля и в трудности учёта потока рассеяния, выходящего через боковые поверхности магнита. 6.2.1. Назначение и типы магнитных цепей Магнитная цепь - это совокупность устройств, содержащих ферромагнитные тела, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий магнитодвижущей силы, магнитного потока и разности магнитных потенциалов. Различают: Обычно в электромагнитных устройствах стремятся на пути магнитного потока разместить ферромагнитные материалы 2 с относительной магнитной проницаемостью m = 500…5000, чтобы уменьшить величину тока намагничивающей обмотки 1 (рис. 6.8, а). Однако между частями магнитопровода неизбежны воздушные зазоры (рис. 6.8, б), или магнитопровод специально изготавливают с регулируемым зазором 3 (см. рис. 6.8, а) с магнитной проницаемостью mа » m0 = 4p × 10-7 Гн/м. В низкочастотных устройствах (f < 1000 Гц) катушки размещают на ферромагнитных сердечниках, что приводит к многократному усилению магнитных потоков и их концентрации в самом ферромагнитном материале, и, как следствие, создается нужная конфигурация магнитного поля и магнитной цепи. Например, в четырёхполюсном генераторе постоянного тока (рис. 6.8, б), катушки 4 возбуждения магнитного потока Ф размещены на полюсах статора; магнитные силовые линии проходят через соседние северный N и южный S полюсы, замыкаясь через статор 3 и цилиндрический якорь 1, при вращении которого в расположенной на нём обмотке индуктируется ЭДС. С помощью коллектора и щёток 2 обмотка якоря подключается к приёмнику энергии. Если вся магнитная цепь выполнена из одного ферромагнитного материала и имеет одинаковое сечение, то она называется однородной . Магнитная цепь, содержащая материалы с различными магнитными свойствами или имеющая воздушные зазоры, называется неоднородной . Магнитная цепь, во всех сечениях которой магнитный поток Ф одинаков, называется неразветвлённой. В разветвлённой магнитной цепи потоки на различных участках неодинаковы.
Проявления магнитного поля В ХIX в. рядом учёных установлена теснейшая связь между магнитными и электрическими явлениями, открыты индукционное и электродинамическое воздействия магнитного поля, лежащие в основе функционирования большинства современных электротехнических устройств. В частности, в 1820 г. Ампер произвёл опыты, в которых обнаружил механическое воздействие ( электродинамическое действие ) магнитного поля на проводник с током и между проводниками с токами. В магнитном поле всегда запасена энергия, Она соответствует работе, затраченной на создание поля, и преобразуется в другие виды энергии, когда поле исчезает. Величину механической силы определяют, приравнивая механическую работу перемещения проводника изменению магнитной энергии поля. В 1831 г. Фарадей сообщил об открытии явления электромагнитной индукции. Он обнаружил индукционное действие магнитного поля - возникновение электрического тока в контуре, движущемся относительно магнита или относительно другого контура с током. В 1833 г. Ленц установил правило определения индуктированного тока, выражающее фундаментальный принцип электродинамики - принцип электромагнитной инерции, а в 1873 г. Максвелл изложил в математической форме и расширил основные физические идеи Ампера, Фарадея и Ленца.
Закон Ампера Закон Ампера устанавливает связь между механической силой, магнитной индукцией, током и длиной проводника: сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, равна произведению магнитной индукции, тока и длины отрезка проводника, перпендикулярного магнитной индукции , т. е.
где Fс - механическая сила, Н (ньютон) - перпендикулярная проводнику (и току) составляющая магнитной индукции, Тл; l - длина проводника, м; I - ток, А. Направление механической силы определяют по известному правилу левой руки (рис. 6.9): если расположить левую руку так, чтобы м. с. л. входили в ладонь, а выпрямленные четыре пальца совпадали с направлением тока, то отогнутый большой палец укажет направление действия силы. Закон Ампера лежит в основе функционирования электрических двигателей, реле и других электромагнитных устройств.
Закон полного тока Закон полного тока устанавливает связь между магнитодвижущей силой обмоток контура и напряженностью магнитного поля вдоль этого контура: линейный интеграл вектора напряжённости магнитного поля вдоль замкнутого контура равен полному току, заключенному в этом контуре:
где - магнитодвижущая сила (МДС) в амперах [А]; - полный ток (алгебраическая сумма токов) в контуре (ток Ik берут со знаком " плюс", если его направление и направление обхода контура при интегрировании связаны правилом правоходового винта, и наоборот); w - число токов, пересекающих контур. Запишем закон полного тока для контура длиной lM и отрезка a-b контура (рис. 6.11):
где UМ(аb) - магнитное напряжение между точками а и b в амперах (А). Для линейного участка a-b в равномерном магнитном поле (H = const) магнитное напряжение UМ(аb) = Hlаb. Первый закон Кирхгофа В разветвленных магнитных цепях имеется несколько замкнутых контуров и соответственно магнитных потоков. Для составления системы уравнений по законам Кирхгофа нужно знать направления токов в катушках, а также выбрать условные положительные направления магнитных потоков. Запишем первый закон Кирхгофа для условного узла 1 магнитной цепи (рис. 6.13):
Под условным узлом разветвления магнитной цепи подразумевается точка, в которой сходятся три или большее число средних линий магнитной индукции.
Постановка задачи Как отмечалось, магнитные цепи в практических устройствах обычно содержат участки из ферромагнетиков, магнитная проницаемость ma которых зависит от напряжённости магнитного поля Н, и воздушные промежутки с постоянной проницаемостью m0. Зависимость магнитной индукции от напряжённости магнитного поля B(H) в ферромагнетиках нелинейная, поэтому магнитные цепи, как правило, являются нелинейными и все расчёты устройств с ферромагнетиками ведут с определённой степенью точности (в зависимости от упрощений при линеаризации кривой В = f(Н) и т. п.). В практических расчётах неразветвлённой магнитной цепи часто пренебрегают магнитными потоками рассеяния и учитывают только магнитный поток вдоль основной магнитной цепи, принимая его неизменным во всех её сечениях. Всю МДС вдоль замкнутой магнитной цепи представляют в виде алгебраической суммы МДС на отдельных разнородных участках магнитной цепи, т. к. интеграл вдоль замкнутого пути может быть представлен в виде суммы интегралов отдельных участков этого пути. В силу малости воздушных промежутков в простых магнитных цепях часто пренебрегают «выпучиванием» в них магнитного поля, считая поперечное сечение магнитного потока в зазоре таким же, как в магнитопроводе, или увеличивая его сечение на 10…20% по сравнению с сечением, например, полюсов электромагнита при его длине В сложных магнитных цепях нельзя пренебрегать потоками рассеяния и магнитным состоянием ферромагнетиков при неоднородном намагничивании: магнитную цепь приходится рассматривать как цепь с распределёнными параметрами, используя методы расчёта электромагнитных полей, в т. ч. метод последовательных приближений, метод конечных элементов и др. Прямая задача Заданы геометрические размеры магнитной цепи (lM, d, S1, рис. 6, 15, а) и магнитные свойства отдельных её участков - кривые намагничивания В(Н) (рис. 6.15, б), например, все они изготовлены из электротехнической стали 1411. Нужно определить магнитодвижущую силу (МДС) F обмотки, необходимую для создания магнитного потока Ф в зазоре. Примем S1 » S2 и определим магнитную индукцию на участках цепи: B1 = Ф / S1; Bd = Ф / Sd; B1 = Bd. Напряжённость магнитного поля на участке lM найдем по кривой намагничивания; например, для стали 1411 при B1 = 1, 4 Тл, H1 @ 1200 А/м (рис. 6.15, б); для воздушного зазора напряжённость
Согласно закону полного тока МДС обмотки с числом витков w: F = H1lM + Hdd = wI. Выбрав значение тока I, определяют число витков w катушки, или, наоборот, выбрав число витков w катушки, находят значение тока I. Для приближенных расчётов принимают магнитную индукцию B » 1, 2…1, 3 Тл и диаметр стержня d » 0, 05 м, где S - мощность устройства в кВ× А. Обратная задача Заданы геометрические размеры магнитопровода: lM, d, S1 » Sd и кривые намагничивания ферромагнетиков отдельных участков цепи (см. рис. 6.15, а и б), а также МДС F обмотки. Нужно определить магнитный поток Ф в зазоре. Запишем закон полного тока: H1lM + Hdd = F = RМЭФ = wI. Откуда искомый магнитный поток
Полученное нелинейное относительно магнитного потока Ф уравнение обычно решают на ЭВМ, выражая зависимость m(Ф) в аналитической или табличной форме. Приближенное решение можно получит посредством графо-аналитических методов. Метод последовательного приближения. В первом приближении примем магнитное сопротивление цепи RМЭ, равное магнитному сопротивлению воздушного зазора, т. е. RМЭ » RdМ = d / (m0Sd) = 8× 105d / Sd. При этом условии возбуждаемый известной МДС F магнитный поток Ф0 в магнитопроводе заведомо больше действительного, т. е. Ф0 = F / RdМ > Ф. Примем Ф1 = 0, 7Ф0 и определим по методике прямой задачи величину F1, затем примем Ф2 = 0, 8Ф0 и определим F2. Если F2 < F, то примем Ф3 > Ф2, например, Ф3 » 0, 9Ф0 и определим F3, и т. д. (до 5…6 значений Ф). Строим вебер-амперную характеристику Ф(F) цепи (рис. 6.16) и, проведя вертикальную линию с точки F (заданной МДС) до пересечения с кривой Ф = f(F), а затем горизонтальную линию с этой точки до оси ординат, находим на оси ординат искомый магнитный поток Ф. Графический метод. Вычерчиваем схему замещения исследуемой цепи (см. рис. 6.17, а) с выделением участка с линейным магнитным сопротивлением RdM и участка с нелинейным сопротивлением R1M (рис. 6.19, а). МДС схемы замещения F = ФRdM + ФR1M = UdM + U1M, откуда - линейная зависимость Ф = f(UdM); - нелинейная зависимость Ф = f(U1M). Строим на одном рисунке (в выбранном масштабе) три графика (рис. 6.19, б): Ф(UdM) для воздушного зазора - прямую линию, угол наклона к оси абсцисс которой пропорционален сопротивлению RdM; Ф(U1M) для магнитной цепи без воздушного зазора - кривую, подобную графику B(H) материала, т. к. магнитный поток Ф = BSM пропорционален магнитной индукции В, а магнитное напряжение UM = HlM – напряжённости H, и график Ф = f(UM), откладывая от оси ординат по горизонталям отрезки, равные суммарной длине отрезков кривой Ф(U1M) и прямой Ф(UdM). Затем из точки F = UM восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с пунктирной кривой Ф(UM) и на оси ординат находим искомый магнитный поток Ф. На практике поступают проще. Анализ выражения магнитного потока Ф = ( F - U1M )/ RdM показывает, что U1M = F при Ф = 0 и U1M = 0 при Ф = F / RdM = Ф0 (рис. 6.19, в). Прямая, соединяющая две точки Ф0 и F, пересекает кривую Ф(U1M) в точке а, горизонталь через которую дает на оси ординат искомый магнитный поток Ф, а вертикаль позволяет определить на оси абсцисс магнитные напряжения U1M и UdM. Магнит с воздушным зазором Рассчитаем магнитную индукцию Вd в зазоре тороидального магнита (рис. 6.27, а), полагая известными длину lМ средней линии магнитной индукции и площадь поперечного сечения SМ ферромагнетика, длину d и площадь сечения Sd воздушного зазора, и размагничивающую часть гистерезисной петли BМ(НМ) материала магнита с остаточной индукцией Вr и коэрцитивной силой - Нс (рис. 6.27, б). В воздушном зазоре магнитное поле возбуждается постоянным магнитом, которое в первом приближении можно считать однородным, и магнитный поток Bd = BМSМ / Sd; Нd = Bd /µ0 = 8× 105BMSM / Sd. Зависимость Bd(Нd) между магнитной индукцией и напряженности магнитного поля в воздушном зазоре изображена на рис. 6.27, б пунктирной линией. При расчёте постоянных магнитов построения ведут не в координатах Ф и UМ, а в координатах НМ и ВМ, т. е. строят кривую размагничивания и прямую НМ = - (1 / RМd)BМ, получаемую из закона полного тока для магнитной цепи:
Нуль в правой части уравнения (6.16) объясняется тем, что на постоянном магните нет обмотки с током, поэтому НМlM = - Hdd. Откуда, после подставки Нd, получаем
где N = 8× 105dSM / (lMSd) - коэффициент размагничивания постоянного магнита при введении воздушного зазора d в его магнитную цепь. Для определения магнитной индукции на рис. 6.27, б следует нанести прямую HM = - NBM. В точке а пересечения прямой с кривой размагничивания удовлетворяются обе зависимости HM = - NBM и BМ(НМ); точка пересечения горизонтали, проведённой через точку а, с осью ординат определяет индукцию Bа в ферромагнетике, а магнитная индукция в воздушном зазоре Bd = BаSМ / Sd. Положение рабочей точки, кроме значений BМ и НМ, определяет также запас магнитной энергии в воздушном зазоре, т. к. удельная магнитная энергия (энергия в единице объёма) WМ = BМНМ / 2, Дж/м2. Произведение BМНМ называют энергетическим произведением. Системы с постоянными магнитами проектируют так, чтобы энергетическое произведение было максимальным. ВОПРОСЫ К ТЕМЕ 6
ВОПРОСЫ К ТЕМЕ 6
|
Неразрывность электрического и магнитного полей
Из курса физики известно, что электрическое и магнитное поля тесно связаны между собой. В природе существует единое электромагнитное поле, а чисто электрическое и чисто магнитное поля являются лишь его частными случаями. Магнитное поле во всех без исключения случаях создаётся движущимися зарядами (в т. ч. вращающимися вокруг атомов и смещающимися в диэлектрике) или токами.
Переменное магнитное поле обладает свойством создавать (индуктировать) электрическое поле. Линии напряженности этого электрического поля нигде не начинаются и нигде не кончаются - они замкнуты. Переменное электрическое поле обуславливает электрический ток – явление направленного движения носителей электрических зарядов. Принцип непрерывности (замкнутости) электрического тока гласит, что электрический ток сквозь взятую в какой угодно среде замкнутую поверхность Sэ равен нулю, т. е. где - вектор плотности полного тока (проводимости, переноса и смещения).
Но электрическое поле окаывает магнитному полю такую же услугу. Переменное электрическое поле создаёт магнитное поле. Линии магнитной индукции всегда непрерывны; они нигде не имеют ни начала, ни конца . Другими словами, магнитный поток сквозь любую замкнутую поверхность Sэ равен нулю, т. е. (магнитный поток, входящий в замкнутую поверхность, равен магнитному потоку, выходящему из этой поверхности).
Таким образом, изменяющиеся электрическое и магнитное поля индуктируют друг друга.
Взаимное индуктирование электрического и магнитного полей было открыто двумя великими учёными XIX в. Фарадеем и Максвеллом.
Магнитная индукция
Напомним, что магнитное поле - вид материи, характеризующийся воздействием на движущиеся электрически заряженные частицы с силой, пропорциональной заряду этой частицы и её скорости. Магнитное поле в пустоте, воздухе и других немагнитных средах определяется во всех точках векторами магнитной индукция (магнитного потока ) и напряжённости магнитного поля , а в ферромагнитных материалах - векторами индукции , напряженности и намагниченности
Последнее изменение этой страницы: 2016-03-22; Просмотров: 2450; Нарушение авторского права страницы