![]() |
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. Но электрическое поле окаывает магнитному полю такую же услугу. Переменное электрическое поле создаёт магнитное поле. Линии магнитной индукции 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 Магнитная индукция Силу, действующую на элемент длины
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.
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
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:
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)
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 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.
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 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 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 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.
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
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).
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