Магнитное поле. Основные понятия, законы, использование в технике

1.

Магнитное
поле
Основные понятия,
законы, использование в
технике

2.

Содержание
• Магнитное поле
• Характеристики магнитного поля
• Сила Лоренца
• Закон полного тока
• Вектор магнитной индукции
• Проводник с током в магнитном поле
• Классификация материалов по действию
магнитного поля
• Ферромагнитные материалы
• Магнитные цепи
• Явление электромагнитной индукции

3.

Магнитное поле
особая форма материи, характеризующаяся воздействием на
электрически заряженную частицу с силой пропорциональной
заряду частицы и скорости ее движения
Магнитное поле существует вокруг движущихся
заряженных частиц, значит вокруг проводников с
током.
Содержание

4.

Опыт Эрстеда с током и магнитной стрелкой
4 августа 1777,
дкёбинг, о.Лангеланн 9 марта 1851,
Копенгаген,
атский ученый, физик,
сследователь явлений
электромагнетизма
Содержание

5.

Вектор магнитной индукции –
векторная величина, характеризующая магнитное поле и
определяющая силу, действующую на движущуюся
заряженную частицу со стороны магнитного поля
Линии магнитного поля замкнуты. Вектор магнитной индукции
направлен по касательной к ним.
Магнитное поле- вихревое поле.
Содержание

6.

Линии магнитного поля замкнуты.
Магнитное поле- вихревое поле.
Содержание

7.

Однородное поле –
поле, в каждой точке которого магнитная
индукция имеет одинаковое значение и направление
(на пример внутри соленоида)
Содержание

8.

Принцип суперпозиции полей:
если поле создано несколькими токами, каждый из
которых образует магнитное поле индукцией, то вектор
магнитной индукции общего поля будет равен
векторной сумме индукций полей, которыми оно
образовано.
Содержание

9.

Магнитный поток –
величина, равная произведению индукции
однородного магнитного поля В, площади
поверхности, через которую он проходит, S на
косинус угла β между перпендикуляром и вектором
магнитной индукции
Ф=В·S·cosβ
Содержание
[Ф]=Вб

10.

Абсолютная магнитная проницаемость –
коэффициент, отражающий магнитные свойства
среды
µа (Гн/м)
Относительная магнитная проницаемость - величина,
показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля
данного вещества больше поля в вакууме
Абсолютная магнитная проницаемость вакуума магнитная постоянная
Содержание

11.

Магнитная проницаемость материалов
Материал
Абсолютная магнитная
проницаемость μ, Гн/м
Относительна
магнитная
проницаемость
Электротехническая
сталь
5,0·10-3
4000
Сталь
1,26·10-4
100
Никель
1,25·10-4
100-600
Платина
1,2569701·10-6
1,000265
Алюминий
1,2566650·10-6
1,000022
Вакуум
1,2566371·10-6
1
Водород
1,2566371·10-6
1,0000000
Сапфир
1,2566368·10-6
0,99999976
Медь
1,2566290·10-6
0,999994
Вода
1,2566270·10-6
0,999992
Висмут
1·10-6
0,99934
Содержание

12.

Напряженность –
векторная физическая величина, которая характеризует
магнитное поле, но не зависит от свойств среды
Магнитное напряжение –
величина, равная произведению проекции напряженности на
участок и длины этого участка
Содержание

13.

Сила Лоренца –
сила, с которой магнитное поле
действует на заряженные
частицы
Направление силы определяют
по правилу левой руки: левую
ладонь располагают так, что
бы линии магнитной индукции
входили в ладонь, вытянутые
четыре пальца совпадали по
направлению скорости заряда,
тогда отогнутый под углом
900 большой палец покажет
направление силы Лоренца.
Содержание

14.

Под действием магнитного поля изменяется направление
движения заряженной частицы
Содержание

15.

Ускорители частицкласс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц,
ионов) высоких энергий. В основе работы ускорителя заложено взаимодействие
заряженных частиц с электрическим и магнитным полями.
Классификация:
1. По форме движения частиц:
линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки;
циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например,
окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз.
2. По назначению:
коллайдеры, источникинейтронов, бустеры, источники синхронного излучения, установки
для терапии рака, промышленные ускорители.
Содержание

16.

Закон полного тока
связывает полный ток и намагничивающую силу
Полный ток –
алгебраическая сумма токов, пронизывающих
поверхность, ограниченную контуром
Намагничивающая сила
(магнитодвижущая сила) – магнитное
напряжение, вычисленное вдоль
замкнутого контура
Содержание

17.

Закон полного тока:
намагничивающая сила вдоль контура равна
полному току, который проходит сквозь
поверхность, ограниченную этим контуром
Содержание

18.

Правило правого буравчика:
если рукоятку буравчика вращать по направлению
вектора магнитной индукции (тока в витках), то
его поступательное движение совпадает с
направлением тока в проводе (магнитной индукцией
внутри катушки)
Содержание

19.

Правило буравчика
Содержание

20.

Вектор магнитной индукции
вокруг линейного проводника
если контур – окружность, то вектор напряженности в любой точке
направлен по касательной к силовой линии и продольная
составляющая напряженности равна самой напряженности
Содержание

21.

Вектор магнитной индукции кольцевой
катушки
если контур – окружность, то вектор напряженности в любой точке
направлен по касательной к силовой линии и продольная
составляющая напряженности равна самой напряженности
Содержание

22.

Демонстрация зависимости магнитного поля
катушки от силы тока в ней
Содержание

23.

Демонстрация зависимости
магнитного поля катушки от
магнитной проницаемости
Содержание

24.

Проводник с током в магнитном поле
На проводник с током в магнитном
поле действует
сила Ампера:
F=B·l·Isinα
Правило левой руки:
Левую ладонь
располагают так, чтобы линии
магнитной индукции входили в
ладонь, вытянутые четыре пальца
располагались по
направлению тока, тогда отогнутый
под углом 90 большой палец покажет
направление силы Ампера
Содержание

25.

Сила взаимодействия двух параллельных
проводников с током
Со стороны тока второго проводника на первый
действует сила:
Со стороны тока первого проводника на второй:
Содержание

26.

Определение характера взаимодействия
• Определить направление вектора магнитной индукции по
направлению силы тока в проводниках (по правилу
буравчика)
• Определить направление силы Ампера по направлению
вектора магнитной индукции и силы тока (по правилу
левой руки)
Содержание

27.

Взаимодействие параллельных проводников с токами
Содержание

28.

Взаимодействие проводников с
током
Содержание

29.

Ваттметр электродинамической системы –
прибор, служащий для измерения активной мощности
Неподвижная катушка с малым сопротивлением
включается последовательно с нагрузкой.
Подвижная катушка с большим сопротивлением
включается параллельно нагрузке.
Через катушки проходит ток, вокруг образуются
магнитные поля, которые начинают
взаимодействовать, подвижная система прибора
вместе с указательной стрелкой поворачивается на
некоторый угол α, зависящий от силы упругости
противодействующей пружины.
То есть, угол поворота стрелки подвижной системы
ваттметра пропорционален мощности приемника
энергии
Содержание
1 – неподвижная катушка
2- подвижная катушка

30.

Классификация
материалов по
действию
магнитного поля
Ферромагетикисильно увеличивают
магнитное поле,
создают собственное
такого же направления,
μ>>1
Парамагнетикиусиливают магнитное
поле μ>1
Алюминий, кислород,
воздух и др.
Железо, никель,
кобальт и др.
Содержание
Диамагнетики –
ослабляют магнитное
поле, создают
собственное
противоположного
направления,
μ<1
Вода, водород, кварц,
серебро, медь и др.

31.

Причины намагничивания
• Существование орбитальных магнитных
моментов-моментов, образующихся в результате
движения электронов по орбитам
• Существование спиновых магнитных моментовмоментов, образующихся в результате движения
электронов вокруг своей оси
• Существование доменов-областей, в которых
спиновые и орбитальные моменты
ориентируются одинаково
Содержание

32.

Без действия внешнего
магнитного поля
результирующая магнитная
индукция ферромагнетика
равна нулю В=0 Тл.
Содержание
Под действием внешнего
магнитного поля магнитные
домены поворачиваются ,
принимают одинаковое
направление, усиливая
внешнее магнитное поле

33.

Намагничивание ферромагнитных
материалов
• Для намагничивания можно поместить
ферромагнитный стержень в катушку с током,
изменяя ток катушки можно изменять
напряженность Н внешнего поля катушки и
следить за изменением магнитной индукцией поля В
Содержание

34.

Петля гистерезиса
Магнитный
гистерезис –
явление запаздывания
размагничивания
стержня при
изменении
направления тока
Внас - магнитная индукция насыщения, которой соответствует состояние, при
котором ферромагнетик имеет максимальную магнитную индукцию
• Вост - остаточная магнитная индукция, которой соответствует образованное
внутри ферромагнетика магнитное поле после действия внешнего магнитного
поля
• Н коэр - коэрцитивная сила, напряженность внешнего магнитного поля, при
которой внутреннее магнитное поле равно нулю.
Данный цикл называется
гистерезисным циклом
Содержание

35.

Классификация
ферромагнетиков
Магнитотвердые (закаленная сталь,
сплавы: альнико,
альниси,
магнико )
Магнитомягкие –
(электротехническая
сталь, чугун,
пермалой, ферриты)
с большой остаточной
индукцией и коэрцитивной
силой и полого поднимающейся основной кривой
намагничивания
с малой остаточной индукцией и коэрцитивной силой, имеют круто поднимающуюся основную кривую
намагничивания
Содержание

36.

Применение
• Сердечники трансформаторов, магнитных
усилителей, электрических машин
Содержание

37.

Магнитные цепи –
устройства, содержащие
сердечники из ферромагнитных
материалов, через которые
замыкается магнитный поток.
Катушка
с тороидальным
сердечником
Машина
постоянного тока
Содержание
Однофазный
трансформатор
Магнитоэлектрический
механизм
Трехфазный
трансформатор
Магнитное
реле
Подъемный
электромагнит

38.

Классификация магнитных цепей
Неразветвленная магнитная цепь
Содержание
Разветвленная
магнитная цепь

39.

Аналогия магнитных и
электрических цепей
Магнитная цепь
Электрическая цепь
Катушка с током
Сердечник
Магнитный поток
Источник
Потребитель, провода
Сила тока
Магнитное напряжение
Магнитодвижущая сила
Магнитное сопротивление
Электрическое напряжение
Электродвижущая сила
Электрическое
сопротивление
Содержание

40.

Законы магнитных цепей
Iw H 1l1 H 2 l 2 H 3l3
Ф3
Ф1
Ф2
Н1
, H2
, H3
B1
, B2
, B3
а1
a2
a3
S1
S2
S3
l1
Фl3
Фl1
Фl2
l2
l3
Iw
Iw Ф
a1 S1 a 2 S 2 a 3 S 3
a1S1 a 2 S2 a 3S3
В1
B2
RM
l
a S
B3
Iw Ф( RM 1 RM 2 RM 3 )
Iw
Ф
R M
Закон Ома для участка магнитной цепи:
магнитный поток прямопропорцинален магнитодвижущей силе и
обратнопропорционален полному сопротивлению цепи
Содержание

41.

Законы магнитных цепей
• Первый закон Кирхгофа:
алгебраическая сумма магнитных потоков в узле
магнитной цепи равна нулю.
Ф 0
• Второй закон Кирхгофа для магнитных цепей:
в контуре магнитной цепи алгебраическая сумма
магнитодвижущих сил равна алгебраической сумме
магнитных напряжений на отдельных участках.
Iw ФRM
Содержание

42.

Подъемная сила электромагнита
• Электромагнит состоит из
стального сердечника, на
котором размещается катушка.
• Магнитный поток, создаваемый
током катушки, замыкается по
сердечнику и стальному якорю. В
результате сердечник и якорь
намагничиваются, при этом
против северного полюса
сердечника расположен южный
полюс якоря, а против южного
полюса сердечника - северный
полюс якоря.
• Якорь притягивается к
сердечнику.
Содержание

43.

Электромагнит
Содержание

44.

Отрывная сила –
необходимая для отрыва якоря от
сердечника
107 2
F
B S 4 105 B 2 S
2 4
Содержание

45.

Расчет магнитной цепи
1 Определить сечение участков магнитной цепи:
S1=a1·b, S2=a2·b
2 Определить необходимую магнитную индукцию в сердечнике:
F
8 105 S1
• 3 Магнитный поток в заданной магнитной цепи
• Ф=B1·S1
• 4 Так как в неразветвленной цепи поток на всех участках одинаков, то магнитная
индукция в якоре:
B2=Ф/S2
В воздушном зазоре:
B0=B1.
• 5 Напряженность магнитного поля для всех участков цепи:
в воздушном зазоре определить по формуле: H0=B0/μ0=B0/(0,000001256);
для якоря и сердечника напряженность найти по кривой намагничивания
электротехнической стали.
• 6 По второму закону Кирхгофа намагничивающая сила катушки равна сумме
магнитных напряжений вдоль контура магнитной цепи:
Iw=H1·L1+H2·L2+2·H0·L0.
• 7 При заданном числе витков катушки определить силу тока, необходимую для
создания подъемной силы электромагнита:
I=Iw /w .
B1
Содержание

46.

Принцип работы
электромагнитных реле
Если ток в обмотке реле
отсутствует, якорь под действием
противовеса отпадает, осевой
контакт контактной группы касается
тылового контакта.
Содержание
При наличии тока в обмотке реле
якорь притянут к сердечнику,
осевой контакт касается
фронтового.

47.

Применение электромагнитных реле в
железнодорожной блокировке
Рельсовая колея делится на участки, отделяемые друг от друга изолирующими стыками.
По рельсам проходит ток, источником которого является путевая батарея ПБ, а
приемником путевое реле ПР. Когда участок свободен от подвижного состава, ток
путевой батареи проходит по цепи: +ПБ-ограничительное сопротивление ОС – первая
рельсовая нить на всю длину участка – обмотка путевого реле ПР - вторая рельсовая
нить участка - обмотка путевого реле ПР – вторая рельсовая нить участка - ПБ.
Получая ток, путевое реле удерживает притянутый якорь. При этом замыкается цепь
лампы зеленого огня светофора: +СБ - осевой и фронтовой контакты реле – лампа
зеленого огня-СБ.
Содержание

48.

• При вступлении поезда на участок рельсовые нити
замкнуться между собой через колесные пары,
которые имеют незначительное сопротивление.
Ток путевого реле уменьшится, и реле отпадет при
этом осевой контакт соединится со стыковым. В
результате в цепь сигнальной батареи вместо
зеленой лампы включится красная, указывающая
на занятость участка. Рельсовые нити и скаты
поезда имеют небольшое сопротивление. Поэтому
в рельсовую цепь включают ограничительное
сопротивление ОС, уменьшающее ток путевой
батареи при занятом участке.
Содержание

49.

Классификация реле
Нейтральное –
якорь притягивается к сердечнику
независимо от направления тока
1 – катушка; 2 – сердечник; 3 –
ярмо; 4 – якорь; 5 – противовес.
Бронзовый штифт – 6 на якоре,
предотвращает его залипание.
Якорь, с помощью тяги – 7
управляет контактной
системой – 8, которая состоит
из 3-х контактов: Фронтового,
Общего и Тылового.
Содержание
Поляризованное релеякорь отклоняется от
нейтрального положения в одну и
в другую сторону в зависимости
от направления тока в его
обмотке.
1 – катушка; 2 – сердечник; 3 –
постоянный магнит; 4 –
поляризованный якорь; 5 –
изоляционная планка; 6 – контакты;
ФК – рабочий поток (от обмоток);
ФО – поляризованный поток (от
магнита).

50.

Явление электромагнитной индукции
Историческая справка об открытии явления
Майкл Фарадей
1791 – 1867 г.г.,
английский физик,
почетный член Петербургской
Академии Наук (1830),
основоположник учения об электромагнитном поле; ввел понятия
«электрическое» и «магнитное поле»;
высказал идею существования
электромагнитных волн.
1821 год: «Превратить магнетизм в электричество».
1931 год: получил электрический ток с помощью магнитного
поля
Содержание
50

51.

Опыт 29 августа 1831 года
«На деревянную барабан была намотана медная
проволока длиной в 203 фута и между витками её
намотана проволока такой же длины, изолированная
от первой хлопчатобумажной нитью.
Одна из этих спиралей была соединена с
гальванометром, другая – с сильной батареей… При
замыкании цепи наблюдалось внезапное, но
чрезвычайно слабое действие на гальванометре, и то
же самое действие замечалось при прекращении тока.
При непрерывном же прохождении тока через одну из
спиралей не удалось обнаружить отклонения стрелки
гальванометра…»
Содержание

52.

Явление электромагнитной
индукции
Содержание

53.

физическое явление, заключающееся
в
возникновении вихревого
электрического
поля, вызывающего электрический
ток в замкнутом контуре при
изменении
потока магнитной индукции через
поверхность,
ограниченную
этим
Возникающий при этом ток называют
контуром.
индукционным
Содержание

54.

Закон Фарадея:
всякое изменение магнитного поля, в которое помещен
проводник произвольной формы, вызывает в последнем
появление ЭДС электромагнитной индукции
Содержание

55.

Направление индукционного тока определяют
по
Правилу Ленца:
Э.Х.Ленц 1804 – 1865 г.г.,
академик, ректор
Петербургского
Университета
Индукционный ток и ЭДС всегда имеют
такое направление, при котором
они противодействуют
причинам, их вызывающим.
Содержание

56.

Содержание

57.

- Магнит приближается (ΔФ>0),
создается индукционный ток
такого направления, чтобы поле
уменьшилось (магнитная
индукция индукционного тока
направлена против магнитной
индукции основного поля)– кольцо
отталкивается;
Содержание
- Магнит удаляется (ΔФ<0),
создается индукционный ток
такого направления, чтобы поле
увеличилось (магнитная индукция
индукционного тока направлена как
и магнитная индукция основного
поля)– -кольцо притягивается

58.

ЭДС индукции в движущихся
проводниках
При движении проводника в магнитном поле со скоростью v вместе с
ним с той же скоростью движутся «+» и «-» заряды, находящиеся в
проводнике.
На них в магнитном поле в противоположные стороны действует сила
Лоренца, что приводит к перераспределению зарядов - возникает ЭДС.
• Правило правой руки:
правую ладонь располагают так, что
бы линии магнитной индукции
входили в ладонь, отогнутый под
углом 90 градусов большой палец
совпадал с направлением скорости,
тогда вытянутые четыре пальца
покажут направление ЭДС
Содержание

59.

Закон электромагнитной индукции
ЭДС электромагнитной индукции в
замкнутом контуре численно равна и
противоположна по знаку скорости
изменения магнитного потока через
поверхность, ограниченную этим контуром.
Содержание

60.

Генератор –
электрическая машина для преобразования
механической энергии в электрическую
1 .Корпус
2. Виток
3. Электромагнит
4. Скользящие
контакты
Содержание

61.

Принцип работы генератора
При вращении рамки якоря в магнитном поле,
производимым статором в витках обмотки,
наводится ЭДС. Направление ее движения
находится по правилу правой руки.
После того, как якорь и коллектор повернутся
на 180 градусов виток меняет свои стороны,
на противоположное направление меняется
движение ЭДС.
• Так происходит процесс индуцирования
переменной электродвижущей силы,
выпрямляемой посредством коллектора.
Коллектор, через щеточный механизм, соединен с обеими сторонами витка, в
результате этого происходит снятие щетками текущего в неизменном
направлении пульсирующего напряжения, это способствует наличию во внешней
цепи, идущего в постоянном направлении, пульсирующего тока. Для того, чтобы
снизить пульсацию в пазах якоря, прибавляют добавочное количество витков
Содержание

62.

Устройство двигателя
Двигатель электрическая машина,
преобразующая
электрическую энергию в
механическую энергию.
1.Якорь
2. Сердечник полюса
3. Обмотки полюса
4. Статор
5. Вентилятор
6. Щетки
7. Коллектор
Содержание

63.

Принцип действия двигателя
Если через рамку пропускать
электрический ток, то вокруг нее
образуется магнитное поле, которое
начинает взаимодействовать с
магнитным полем, в котором она
находится. На рамку действует сила
Ампера и она начинает
взаимодействовать с полем, в
результате чего начинает вращаться,
создавая движение.
Содержание

64.

Потокосцеплениевеличина, равная произведению числа витков
катушки и магнитного потока
ЭДС индукции в контуре равна скорости
изменения потокосцепления этого контура
Содержание

65.

Потокосцепление самоиндукции –
алгебраическая сумма потоков самоиндукции
всех витков катушки
Если потокосцепление растет, то сила тока тоже растет,
индуктивность остается постоянной
Содержание

66.

Индуктивность
контура L называют коэффициент
пропорциональности между силой тока в проводящем
контуре и созданным им магнитным потоком,
пронизывающим этот контур
L зависит лишь от формы и размеров проводящего контура, а
также магнитной проницаемости среды, в которой он
находится (Гн)
N 2S
Для кольцевой катушки L a
2 R
Для цилиндрической катушки L
Содержание
0 N 2 S
l

67.

Самоиндукция –
явление возникновения ЭДС индукции в проводящем
контуре при изменении в нём силы тока.
esi L
I
t
Лампа в цепи с катушкой при замыкании ключа будет зажигаться
не сразу,
так как возникающая ЭДС самоиндукции
будет препятствовать нарастанию тока.
Лампа в цепи с катушкой при размыкании ключа будет затухать
не сразу,
так как возникающая ЭДС самоиндукции
Содержание
будет препятствовать уменьшению тока
67

68.

Взаимная индукция –
явление возникновения ЭДС
взаимной индукции при воздействии
переменного магнитного поля
второй катушки, но созданного
переменным током первой
катушки
i
evi M
t
М - взаимная индуктивность
Содержание

69.

Взаимная индуктивность
двух кольцевых катушек,
намотанных на общий каркас
w1w2 S
M a
2 R
Содержание

70.

Цепи, связанные взаимной индукцией
• Согласное соединение
катушек – соединение, при
котором магнитные
потоки катушек
действуют согласно.
• Встречное включение
катушек – соединение,
при котором магнитные
потоки катушек
действуют встречно
L L1 L2 2M
L L1 L2 2M
Содержание

71.

Энергия магнитного поля
LI
W
2
Содержание
2