Пучков Л.В. Прикладная электротехника - файл n20.htm

Пучков Л.В. Прикладная электротехника
скачать (118.7 kb.)
Доступные файлы (22):
n1.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n2.htm21kb.02.07.2007 11:02скачать
n3.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n4.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n5.htm22kb.02.07.2007 11:02скачать
n6.htm50kb.02.07.2007 11:02скачать
n7.htm7kb.02.07.2007 11:02скачать
n8.htm11kb.02.07.2007 11:02скачать
n9.htm6kb.02.07.2007 11:02скачать
n10.htm18kb.02.07.2007 11:02скачать
n11.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n12.htm41kb.02.07.2007 11:02скачать
n13.htm5kb.02.07.2007 11:02скачать
n14.htm9kb.02.07.2007 11:02скачать
n15.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n16.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n17.htm4kb.02.07.2007 11:02скачать
n18.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n19.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n20.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n21.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n22.htm19kb.02.07.2007 11:02скачать

n20.htm

 Раздел 7. Магнитное поле. Природа магнетизма. Электромагниты



Молекулярная теория магнетизма.

Теория, объясняющая различие в магнитных свойствах вещества на основе изучения строения их атомов и молекул получила название молекулярной теории магнетизма. Эта теория достаточно сложна и во многом еще не завершена. В чем же состоит различие между строением частиц диамагнитных и парамагнитных веществ с точки зрения этой теории?

В атомах всех тел есть большое количество движущихся электронов. Каждый из них и представляет собой элементарный круговой ток. Но в атомах диамагнитных веществ до внесения их в магнитное поле магнитные действия этих токов взаимно компенсируют друг друга, так что атом в целом не является элементарным магнитом. Когда мы вносим такое вещество в магнитное поле, то на каждый электрон воздействует сила, называемой силой Лоренца, и совокупное действие всех этих сил, как показывает расчет, приводит к тому, что в атоме индуцируется определенный ток, то есть атом приобретает свойства элементарного магнитика. Так как эти токи являются индуцированными, то по закону взаимоиндукции Ленца создаваемое ими магнитное поле должно быть направлено против внешнего магнитного поля, и диамагнитное тело отталкивается от магнита.

В атомах парамагнитных веществ магнитные действия отдельных электронов не полностью компенсируют друг друга, так что атом в целом и сам по себе является элементарным магнитом. Действие внешнего магнитного поля упорядочивает расположение этих элементарных токов ( магнитиков ), причем токи ориентируются так, что их направление преимущественно совпадает с током катушки, вызывающей внешнее магнитное поле. Поэтому магнитный поток от элементарных токов в этом случае усиливает внешний поток и парамагнитное тело притягивается к магниту.

Строго говоря, диамагнетизм есть общее свойство всех веществ. Внешнее магнитное поле производит и на атомы парамагнитных веществ такое же индуцирующее воздействие, как и на атомы диамагнитных веществ. Но в парамагнитных веществах это действие перекрывается более сильным ориентирующим действием внешнего магнитного поля, которое упорядочивает собственные элементарные токи атомов. Мы видим, таким образом, что диамагнетизм и парамагнетизм объясняются различиями в строении самих атомов или молекул вещества.

Силовые поля.

Если в окружающем нас пространстве действуют какие-нибудь невидимые нами силы, мы говорим, что в этом пространстве существует поле. Действие некоторых сил мы ощущаем (например, действие силы тяжести мы чувствуем), некоторых нет. Примеры взаимодействия ( притяжение или отталкивание) двух магнитов дают основание предположить, что вокруг магнитов существует поле. Притягивание магнитом железных предметов также дают основания предположить, что вокруг любого магнита существует поле. Однако наличие этого поля органами чувств большинства людей не выявляется. Хотя птицы, например, магнитное поле чувствуют. Это помогает совершать им сезонные перелеты на юг и на север, ориентируясь по "внутреннему компасу". Люди же определяют присутствие и характеристики различных полей, не воспринимаемых органами чувств, с помощью вспомогательных средств (приборов, пробников).

Например, в электростатике характеристики электрического поля (величину силы и ее направление в любой точке пространства) можно определить с помощью шарика, заряженного положительно (пробное тело). В этом случае величину и направление действующей на шарик силы можно измерить. Зная величину заряда, можно вычислить значение силы, действующую на единицу заряда в данной точке поля (эта величина получила название "напряженность электрического поля"). Помещая шарик в различные точки пространства, можно составить пространственную картину напряженности электрического поля. Этот подход очень удобен. Если мы знаем напряженность поля в нужной нам точке от какого-либо источника, то любой реальный заряд в этой точке поля испытывает действие силы, равной произведению величины заряда на напряженность электрического поля. Если имеется несколько источников электрического поля или они расположены довольно необычным способом, то суммарный эффект ( полное поле, суммарную напряженность…) в нужной нам точке пространства легко вычислить путем векторного сложения вкладов различных источников.

Теперь перед нами встает следующая задача. Если описывать магнитное поле с помощью линий поля, каким будет НАПРАВЛЕНИЕ магнитного поля например, стержневого магнита? (Не забывайте, что линии поля представляют собой придуманную людьми модель, которая изобретена для нашего удобства). Самым простым способом определения направления магнитного поля был бы способ определения по силе, действующей на единичный пробный ПОЛЮС (аналогично единичному пробному заряду в электростатике).

Но беда (а, может, счастье?) в том, что не существует изолированного северного или южного полюсов. Сколько бы Вы не пытались резать магнит на два полюса, получается палка о двух концах - в результате Вы всегда получаете по два отдельных "полноценных" магнита, каждый из которых имеет северный полюс на одном конце и южный на другом.

Физик Поль Дирак в 1928г. теоретически обосновал возможность существования отдельного полюса, но все попытки обнаружить монополь Дирака пока безуспешны. Иногда существует несколько пар полюсных областей, но никто никогда еще не находил магнита с одним только полюсом. Имея же пробник с двумя полюсами, один из которых (имеется в виду полюс) притягивается к магниту-источнику, а другой отталкивается, получаем, что результирующая сила, действующая на подобный пробник, будет равна нулю, т.е. определить величину силы таким способом не представляется возможным. Направление же поля установить в принципе можно. Для практических исследований можно использовать, например, миниатюрные компасы. В этом случае на северный полюс стрелки компаса действует сила в направлении поля, в то время как действующая на ее южный полюс сила действует в противоположном направлении. В результате стрелка компаса устанавливается вдоль направления поля. На рисунке представлен стержневой магнит с отверстием посередине. Мы видим, что вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Находящийся в отверстии компас показывает, что линии поля внутри магнита идут от южного полюса к северному полюсу.


Поскольку не существует изолированных северного и южного полюсов, линии поля нигде не могут начинаться или обрываться. Они должны существовать в форме замкнутых петель, как показано на рисунке слева (магнит здесь повернут на 90 град.).


Один из способов получения магнитных диполей состоит в том, чтобы разбросать железные опилки по гладкой поверхности в магнитном поле (например, около стержневого магнита). В таком поле каждая крошечная железная иголка поляризуется так, что устанавливается параллельно магнитному полю. При этом становится видимой, по крайней мере, в двух измерениях, общая картина линий поля. На фотографии представлены линии магнитного поля при взаимодействии двух стержневых магнитов, выявляемые железными опилками.

 Отметим, что "сила" магнитного поля в каждой точке получила название напряженность магнитного поля и обозначается латинской буквой Н. Она измеряется в специальных единицах - Эрстедах - по фамилии физика, много сделавшего для изучения магнетизма. Компасы и железные опилки дают изображение направления линий поля, но не дают хорошей картины напряженности этого поля. Позже мы увидим, что напряженность магнитного поля может быть представлена числом линий поля, пересекающих единичную площадь. В приводимом здесь качественном рассмотрении будет правдоподобно считать, что магнитные поля сильны там, где линии очень сгущаются, и слабы там, где эти линии разрежены.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ С-ОБРАЗНОГО МАГНИТА.



Для решения практических производственных задач недостаточно только знаний о существовании магнитных полей и способах их измерений. Нужно еще уметь менять эти поля в нужной точке в нужном направлении. С этой целью полезно рассмотреть магнитное поле С- образного магнита. В этом магните полюсы подведены близко друг к другу. На рисунке железные опилки изображены в виде стрелок. Как Вы видите, непрерывные магнитные линии поля большую часть своей длины проходят в железе (вокруг магнита поля практически нет) и выходят в воздух лишь в небольшой области между щечками, причем в центральной области линии поля равномерны. Подобным образом можно сделать магнит с очень сильным полем между полюсами.


 


На этом рисунке показано, что происходит, когда в зазор С-образного магнита помещен ненамагниченный кусок железа. Линии сгущаются в железе, создавая более сильное поле в железе и более слабое во внешней области, то есть магнитные линии втягиваются в тела, способные к намагничиванию, подобно тому, как втягивается в струю воды из-под крана близко поднесенный к ней шнурок.

 

 


Еще на одном рисунке показано, как можно воспользоваться свойством втягивания магнитных силовых линий для экранировки магнитного поля. Область внутри железного цилиндра сравнительно свободна от магнитных полей.

 

Диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные вещества.

Сейчас мы подошли к одной очень важной для практики вещи, поэтому постарайтесь спокойно проанализировать то, что Вы уже видели и о чем будем сейчас говорить.

Как Вы видели на примере С - образного магнита, помещенный в магнитное поле между полюсами магнита материал изменяет магнитное поле (в примере с помещенным в магнитное поле кусочком металла поле втягивается в металл). Необходимо сразу усвоить, что магниты сначала мгновенно превращают эти предметы в другие магниты, а потом уже их притягивают. Вообще любое вещество, находящееся в магнитном поле, приходит в состояние намагниченности и в нем возникает добавочное магнитное поле. Это поле может как складываться, так и вычитаться с вызвавшим его внешним полем. Более полное объяснение этому процессу будет дано позже, сейчас же удовлетворимся следующей моделью: все вещества рассматриваются как состоящие из крошечных магнитиков, которые в обычном состоянии направлены беспорядочно и магнитное поле в них не обнаруживается. Под действием внешнего поля, в которое вносится вещество, появляется согласованная ориентация элементарных магнитиков, и они создают свое дополнительное магнитное поле, налагаемое на внешнее поле и изменяющее его. Интенсивность и характер намагниченности различных веществ в одинаковом магнитном поле значительно отличаются. По этим факторам все вещества разделяются на три группы:

- диамагнитные (вода, водород, кварц, серебро, медь и т.д.),в которых магнитное поле элементарных магнитиков направлено против внешнего поля, т.е. результирующее поле ослабляется (правда, достаточно незначительно);

- парамагнитные (алюминий, кислород, воздух и т.д.), в которых магнитное поле элементарных магнитиков направлено одинаково с внешним полем, т.е. результирующее поле усиливается (тоже достаточно незначительно);

- ферромагнитные (железо, никель, кобальт и некоторые сплавы), в которых магнитное поле элементарных магнитиков также направлено одинаково с внешним полем, в результате магнитное поле усиливается, но в отличие от парамагнитных веществ это усиление значительно ( в десятки, сотни, тысячи раз...).

 

Магнитная проницаемость, магнитная индукция, магнитный поток.

Теперь введем еще три понятия, которые будут нам нужны для дальнейшего изложения материала, пригодятся, если Вы решите почитать специальную литературу и т.д. Постарайтесь разобраться в этом сейчас, потому что больше возвращаться к этому вопросу мы не будем. Поскольку конструированием оборудования Вы не занимаетесь, формулы Вам в общем-то не нужны и вводятся здесь только для облегчения понимания материала теми, кому в виде формул это удобнее. Если же Вам понадобится что-либо изготовить для дома, для семьи, нужные Вам формулы найдете в любом справочнике и без труда решите Ваши задачи, ведь основное - четко понимать суть дела.

Раньше мы говорили, что магнитное поле от данного магнита в любой точке определяется напряженностью поля Н - силой, действующей в этой точке. Но если задуматься, то это идеальный случай, когда вокруг магнита нет ничего (вакуум),в жизни практически не встречающийся. Ведь если даже вокруг магнита воздух - это парамагнитное вещество, изменяющее напряженность поля. Для учета влияния вещества при расчетах или анализе поля введена единица, названная магнитной проницаемостью - она показывает, во сколько раз ослабляется или усиливается поле в веществе. Обозначается она греческой буквой µ (мю). Ясно, что для вакуума проницаемость µ=1. Для парамагнитных веществ она больше единицы (например, для алюминия µ=1,000023). Для диамагнитных веществ проницаемость меньше единицы (например, для меди µ=0,99991). Поскольку эти отклонения от единицы очень незначительны, при технических расчетах магнитная проницаемость диамагнитных и парамагнитных материалов принимается равной единице.

Другое дело ферромагнитные материалы, у которых µ достигает десятков тысяч и зависит от магнитных свойств материала, напряженности магнитного поля, температуры. Они имеют огромное значение в электротехнике и используются для того, чтобы усиливать магнитные поля и придавать им нужную конфигурацию в электрических машинах и аппаратах.

Реально в жизни мы всегда имеем дело с результирующим магнитным полем (то есть полем, наведенным каким-либо источником, например, в нашем случае постоянным магнитом, в веществе). Для того, чтобы различать, о каком поле идет речь, для напряженности результирующего магнитного поля введено наименование магнитная индукция ("индукция" - в переводе на русский "наведение" - название, может быть, и не очень удачное, но так принято). Магнитную индукцию принято обозначать буквой В. Напряженность магнитного поля источника Н и магнитная индукция В связаны простым соотношением:

В = µ*Н

Понятием магнитной индукции мы часто будем пользоваться в дальнейшем, она встречается как в учебной, так и в технической литературе, а также в инструкциях по эксплуатации. Кроме того, очень часто используется термин "магнитный поток". Попробуем разобраться в этом понятии способом аналогий. Как напряженность магнитного поля Н, так и магнитная индукция В очень похожи на понятие "давление" в гидравлике - это сила, действующая в какой-либо точке пространства. В общем случае в разных точках эта сила неодинакова. Для того, чтобы вычислить суммарную силу, действующую, например, на поршень двигателя автомобиля, нужно просуммировать силы давления, действующие на каждый квадратный сантиметр поршня, причем если эти силы направлены под углом, то нужно взять только вертикальную составляющую силы, действующую по ходу поршня. Аналогично и магнитный поток, обозначаемый буквой Ф, через какую-то площадь, обозначенную буквой S, в случае, если эта площадь перпендикулярна вектору Н:

Ф = Н*S

или в общем случае, когда площадь находится под углом j к вектору Н:

Ф = Н*S*Sin(j )

Единицы измерения магнитной индукции и магнитного потока мы введем позднее.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ.

Проведем следующий опыт: вокруг проводника на плоскости - изоляторе, как показано на рисунке, рассыплем железные опилки, аналогично тому, как мы это делали при опытах по определению поля постоянного магнита. Пока тока в проводнике нет, картина выглядит так, как на левом рисунке. С момента подачи постоянного тока опилки выстраиваются так, как показано на правом рисунке. Мы видим, что линии магнитного поля вокруг проводника с током можно считать концентрическими окружностями. Поле вблизи провода более интенсивно; поэтому там больше плотность линий поля. Направление линий поля мы можем определить, поместив вблизи провода миниатюрные компасы, как мы это делали в опытах с постоянным магнитом - стрелки компасов устанавливаются по касательной к линии поля. Мы увидим, что круговые линии поля имеют определенное направление: по или против часовой стрелки в зависимости от направления тока. Для облегчения запоминания направления круговых линий поля было придумано "правило буравчика" ( или штопора для не дураков выпить) - если буравчик вворачивать по направлению тока в проводнике, направление вращения рукоятки будет соответствовать направлению круговых линий поля.

Посмотрите, что получится, если проводник с током сделать в виде кольца. Линии такого поля должны быть круговыми, и их направление дается правилом буравчика. Если сложить вклады всех небольших участков кольцевого контура, то получится картина, представленная на рисунке. По сути дела это картина поля элементарного магнита (диполя). Полюса этого магнита можно определить также по правилу буравчика: если совместить направление вращения рукоятки с направлением движения тока в кольце, то буравчик будет вворачиваться по направлению к северному полюсу.

 Природа магнетизма до сих пор изучена меньше, чем природа электричества. Здесь существуют две версии. По первой из них молекулы всех тел, способных к намагничиванию, представляют собой миниатюрные диполи - стержневые магнитики. В ненамагниченном теле эти магнитики ориентированы хаотично и (по законам статистики) тело в целом оказывается магнитно-нейтральным.

В намагниченном теле оси всех магнитиков почти параллельны и их одноименные полюса направлены в одну сторону. По второй версии считается, что все электроны вращаются вокруг собственной оси, причем с того конца оси, с которого электрон представляется вращающимся против часовой стрелки, образуется северный магнитный полюс, а с противоположного конца - южный. Ясно, что здесь получаются те же самые диполи. Поэтому дальнейшие объяснения такие же, как и по первой версии.

Рассмотренные нами два примера поучительны. Сейчас общепринято считать, что никаких отдельных магнитных носителей заряда нет, а магнитные явления есть свойства движущихся электрических зарядов. Элементарный магнит (диполь) - это круговой ток, циркулирующий внутри небольшой частицы вещества : атома, молекулы или группы их (их также называют "амперовы токи"). Круговым током является и вращение электрона вокруг собственной оси. И теперь в общем-то понятно, почему были безуспешны попытки получить один только полюс (посмотрите на рисунок кольцевого тока, комментарии излишни). Этих знаний о природе магнетизма для нашего курса электротехники ( и для энергетика - эксплуатационника ) более чем достаточно.

Магнитное поле соленоида.

Соленоид представляет собой катушку с большим числом витков, намотанную на цилиндрическом (как правило) каркасе или без него.

Картина магнитного поля соленоида особенно проста, если длина цилиндра значительно больше его диаметра. В таком случае рисунок поля соленоида выглядит точно так же, как у постоянного стержневого магнита (см. рисунок слева).

Здесь есть северный полюс и южный полюс с линиями поля, выходящими из одного конца и входящими обратно через другой конец. Внутри соленоида линии поля параллельны друг другу и проходят в направлении оси с постоянной плотностью. Поэтому магнитное поле однородно всюду внутри соленоида, за исключением пространства вблизи концов, где линии поля начинают расходиться, то есть поле там слегка ослабляется. Сразу же видны преимущества электромагнита такого типа перед постоянным магнитом: во-первых, магнит существует только тогда, когда в обмотку электромагнита подан ток. Его можно легко включить или выключить. Во-вторых, как Вы уже догадываетесь, регулируя силу тока, можно регулировать "силу" магнита.

Магнитное поле вблизи двух параллельных токов.

Если воспользоваться правилом буравчика, мы увидим, что вокруг двух проводников, в которых токи параллельны и направлены в одну сторону, поле усиливается, в то время как между проводами ослабляется. Это означает, что в данном случае провода будут притягиваться (вспомните наши рассуждения о поле). Если направление токов будет встречным, провода будут соответственно отталкиваться. Поскольку в энергетике мы имеем дело с токами, измеряемыми сотнями и тысячами ампер (а при коротких замыканиях и десятками тысяч ампер), любая наша конструкция должна выдерживать механические воздействия (обычно их называют электромеханическими), появляющиеся при протекании токов, в противном случае любая конструкция (выключатель, двигатель, ЛЭП и т.д.) будет разрушена. Об этом никогда не следует забывать.

В заключении этого раздела оценим, за счет каких факторов можно усиливать магнитное поле электромагнита, например, выполненного в виде катушки. Очевидно, что это можно сделать:

Если записать наши рассуждения в виде формулы, оно выглядит в виде:

Ф = I*W

Произведение тока в катушке I электромагнита на число витков W этой катушки называют магнитодвижущей силой (МДС). Иногда ее называют намагничивающей силой или просто ампер - витками. С этими понятиями Вы можете встретиться в технических описаниях оборудования или в инструкциях по эксплуатации.



© 1999 Л.В. Пучков, Редакция 2000 А.Н.Бугаев.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации