Курс лекций по физике Электротехника

Закон Ома Расчет электрических цепей Электрические машины переменного тока Электронные усилители и генераторы Трехфазные выпрямители

ФЕРРОМАГНЕТИЗМ. МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ

Намагничивание и перемагничивание ферромагнитных материалов

1. Кривая первоначального намагничивания и петля гистерезиса. Ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т.е. сами становятся источниками магнитного поля. Причина намагничивания заключается в том, что во всех веществах существуют мельчайшие электрические токи, замыкающиеся в пределах каждого атома (молекулярные токи). Они вызваны вращением электронов по орбитам и вокруг собственных осей. Магнитные свойства элементарного кругового тока можно характеризовать магнитным моментом m, который равен произведению элементарного тока i и элементарной площадки S, ограниченной контуром элементарного тока. Направление вектора m определяется по правилу буравчика. Магнитные моменты, обусловленные движением электронов по орбитам, называют орбитальными моментами, а обусловленные вращением электронов вокруг своей оси — спиновыми моментами.

В ферромагнитных материалах имеются области, называемые магнитными доменами, спиновые моменты которых ориентированы одинаково. Эти области оказываются самопроизвольно намагниченными. Ферромагнитное тело состоит из множества доменов, отличающихся значением и направлением своих магнитных моментов М. В остальном ненамагниченном стержне магнитные домены расположены беспорядочно. Вследствие этого их магнитные моменты взаимно уравновешиваются (рис. 8.1, а) и результирующая магнитная индукция стержня равна нулю. Если стержень поместить в магнитное поле внешнего тока, то магнитные моменты доменов повернутся в направо лении поля (рис. 8.1,

 б) и их магнитные поля усилят внешней магнитное поле. На рис. 8.1, б внешнее поле изображено сплошными магнитными линиями, а поля магнитных доменов пунктирными линиями.

Поместим стержень из ферромагнитного материала в катушку с током (рис. 8.2), а затем, изменяя напряженность поля катушки H = I/l, проследим за изменением магнитной индукции В. С увеличением напряженности магнитная индукция сначала быстро возрастает почти пропорционально напряженности поля Н (отрезок АБ на рис. 8.3). На участке БВ рост магнитной индукции замедляется, так как сокращается количество согласованно ориентированных доменов, усиливающих магнитное поли катушки. На участке ВГ, когда по направлению поля повернуты все домены, наступает магнитное насыщение стержня, т. е. такое состояние ферромагнитного вещества, при котором рост напряженности поля не влечет за собой увеличения магнитной индукции.

Таким образом, магнитный материал можно намагничивать только до определенного состояния. Кривая АБВГ называется кривой первоначального намагничивания, которой пользуются при расчете магнитных цепей электрических аппаратов. При уменьшении напряженности поля стержень размагничивается и его индукция уменьшается по кривой ГДЕ.

Все ферромагнитные материалы стремятся сохранить возбужденное магнитное состояние, поэтому кривая их размагничивания лежит выше кривой первоначального намагничивания. Размагничивание стержня (сердечника) как бы запаздывает по сравнению с уменьшением напряженности поля. Это явление называется магнитным гистерезисом. После отключения тока катушки (когда Н — 0) магнитная индукция равна величине, называемой остаточной индукцией (изображена отрезком АЕ на рис. 8.3). Если изменить направление тока в катушке и увеличивать напряженность поля, то стержень сначала будет размагничиваться по кривой ЕЖ.

Значение напряженности поля обратного направления (отрезок АЖ на рис. 8.3), при котором магнитная индукция равна нулю, называют коэрцитивной (задерживающей) силой. При дальнейшем увеличении напряженности стержень перемагничивается до насыщения (точка 3). Кривая размагничивается ЗИ не совпадает с кривой ЖЗ из-за гистерезиса. Отрезок АЕ = —АИ служит мерой остаточного магнетизма в испытуемом стержне. При вторичном изменении направления тока магнитная индукция стержня изменяется по кривой ИКГ. Таким образом, при изменении направления тока магнитная индукция стержня изменяется по кривой ГДЕЖЗИКГ.

Рассмотренный цикл перемагничивания ферромагнетика называется гистерезисным циклом (петлей гистерезиса). Так как при намагничивании ферромагнитный стержень был доведен до насыщения, то полученная петля называется предельной петлей гистерезиса.

При меньших пределах изменения напряженности внешнего магнитного поля можно получить семейство петель гистерезиса, заключенных внутри предельной петли (рис. 8.4, а). Кривая 0-1-2-3-4, проведенная через вершины всех петель гистерезиса, называется основной кривой намагничивания. Она практически совпадает с кривой первоначального намагничивания. Перемагничивание ферромагнитных материалов сопровождается их нагревом, а следовательно, потерей некоторой энергии. Известно, что количество энергии, теряемой в ферромагнитном теле за полный цикл перемагничивания, пропорционально площади петли гистерезиса.

2. Классификация ферромагнитных материалов. Все ферромагнитные материалы разделяются намагнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкие материалы (электротехническая сталь, чугун, пермаллой, ферриты и т. д.) обладают малой остаточной индукцией и коэрцитивной силой и имеют круто поднимающуюся основную кривую намагничивания (кривые 1, 2 на рис. 8.4, б). Поэтому они легко перемагничиваются и имеют незначительные потери энергии от гистерезиса, что удобно для использования их в машинах и приборах переменного тока. Для изготовления постоянных магнитов применяются магнитотвердые материалы (закаленная сталь, сплавы: альнико, альниси, магнико и т.д.) обладающие большой остаточной индукцией, коэрцитивной силой и полого поднимающейся основной кривой намагничивания (кривая 3 на рис. 8.4, б). Таким образом, зависимость магнитной индукции от напряженности поля достаточно сложная и не может быть выражена простой расчетной формулой. Поэтому при расчете магнитных цепей, содержащих ферромагнитики, применяют экспериментально снятые кривые намагничивания В(Н) для заданных магнитных материалов.

Расчет сечения проводов по допустимому нагреву