Файл: Лебедев, Н. Н. Электротехника и электрооборудование учеб. пособие [для монтаж. и строит. спец. техникумов].pdf

Отсюда вытекает формула для определения силы F в ньютонах (Н):

где В — магнитная индукция, тл;

/— тек, А;

/— длина участка проводника, м.

Впредыдущем параграфе указывалось, что величина магнитной

индукции определяется силой механического воздействия магнитного поля па проводник с током. Из формулы (3.3) можно вывести следую­ щее определение единицы магнитной индукции: магнитное поле об­ ладает индукцией равной 1 тл, если на участок провода длиной 1 м при наличии в нем тока в 1 А действует сила, равная 1 Н.

Формула (3.3) относится к тому случаю, когда провод с током рас­ положен перпендикулярно (т. е. под углом 90°) к магнитным силовым линиям. Для любого другого положения провода формула (3.3) может ббггь записана в более общем виде:

где а — угол между проводником с током и направлением магнитных силовых линий.

При а, равной 90°, sin а равен единице и формула (3.4) превращает­ ся в ранее приведенную формулу (3.3). При а, равном 0°, т. е. когда проводник с током расположен параллельно силовым линиям поля, sin а равен нулю и сила F также становится равной нулю.

В соотношении (3.4) выражается закон Ампера.

Пример 3.2. Магнитная индукция поля равна так же, как в предыдущем примере, 1,2 тл. Определить силу, действующую на помещенный в магнитное поле проводник длиной 0,3 м; ток в проводнике равен 10 А. Проводник перпенди­ кулярен магнитным силовым линиям.

Р е ш е н и е . Находим величину силы F по формуле (3.3):

F = В11г= 1,2 • 10 • 0,3 = 3,6 Н.

Если почему-либо необходимо величину силы F выразить в килограммах, вспомним, что 1 кГ примерно равен 9,8 Н, откуда:

F = — = 0,37 кГ. 9,8

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

На механическом взаимодействии между магнитным полем и про­ водником с током основан принцип действия электродвигателей — машин, преобразующих электрическую энергию в механическую.

Принципиальное устройство электродвигателя постоянного тока (несколько упрощенное) представлено на рис. 3.5. Корпус электро­ двигателя 1 представляет собой электромагнит, в магнитном поле ко­ торого вращается на валу стальной барабан 2, называемый якорем. На нем размещены проводники, через которые от того или иного источ­ ника пропускается постоянный электрический ток (проводники пока­ заны в разрезе кружочками). Одна половина проводников помечена

42

крестиком, другая—точками. Таким способом принято обозначать на чертежах направление тока: крестик означает, что ток идет от зрителя за рисунок (виден как бы хвост стрелы): точка означает, что ток идет от рисунка на зрителя (видно как бы острие стрелы).

Рис. 3.5. Принципиальное устройство электродвигателя постоянного тока

Применив правило левой руки, можно убедиться, что проводники как в верхней, так и в нижней частях якоря испытывают механические усилия, заставляющие якорь поворачиваться против часовой стрелки.

§ 3.4. Намагничивающая сила. Напряженность магнитного поля и магнитная проницаемость

Намагничивающая сила

Магнитное поле создается электрическим током; в электромагните оно возбуждается током, протекающим по обмотке. Опытным путем установлено, что интенсивность магнитного поля, создаваемого электро­ магнитом, находится в прямой зависимости от числа витков его обмотки и величины тока в ней: чем больше ток и чем больше число витков об­ мотки, тем больше магнитная индукция и магнитный поток поля. Ины­ ми словами, магнитная индукция поля и магнитный поток прямо про­ порциональны произведению lw, где / — ток в обмотке, aw — число витков в ней.

Напряженность магнитного поля

Намагничивающая сила в созданном ею магнитном поле действует вдоль магнитных силовых линий. Доля намагничивающей силы, при­ ходящаяся на единицу длины магнитной силовой линии, называется н а п р я ж е н н о с т ь ю м а г н и т н о г о п о л я ; обозначается она латинской буквой Я («аш») и измеряется в амперах на метр (А/м).

43

величина II остается постоянной по всей линии. Если же среда, в ко­ торой проходит магнитная силовая линия, не однородна, то величина И меняется. Например, в подковообразном электромагните, представ­ ленном на рис. 3.3, в, магнитные силовые линии проходят частично по стальному сердечнику, а дальше замыкаются по воздуху. В этом случае напряженность магнитного поля не остается постоянной: в воздухе она оказывается, как мы увидим в дальнейшем, значительно выше, чем в стальном сердечнике.

Произведение HI, где Н — напряженность магнитного поля, а / — длина участка магнитной силовой линии, на котором Н остается по­

нием электрического напряжения в цепи тока). Если Н измеряется амперами на метр, а I в метрах, произведение HI выразится в амперах.

Подобно тому, как электродвижущая сила представляется суммой падений электрического напряжения в цепи тока, намагничивающая сила также может быть представлена как сумма падений магнитного

Такое соотношение, дающее связь между током, возбуждающим маг­ нитный поток, и напряженностью магнитного поля, является несколь­

Магнитная проницаемость

Магнитные свойства того или иного вещества характеризуются ве­ личиной его м а г н и т н о й п р о н и ц а е м о с т и . Обозначается магнитная проницаемость греческой буквой р («мю»).

Магнитную проницаемость физических тел принято сравнивать с магнитной проницаемостью вакуума, которую называют м а г н и т- н о й п о с т о я н н о й и обозначают ри. Отвлеченное число (число­ вой коэффициент), показывающее, во сколько раз магнитная проница­

По величине относительной магнитной проницаемости все веще­ ства—твердые, жидкие и газообразные — подразделяются на три группы:

1) диамагнитные, у которых ротн немного меньше единицы (поряд­ ка 0,99);

2)парамагнитные, у которых р немного больше единицы (порядка

1,0002—1,0003);

3)ферромагнитные, у которых ротц во много раз— в сотни и тысячи раз — больше единицы.

44

В связи с тем, что относительные магнитные проницаемости пара­ магнитных и диамагнитных веществ мало отличаются друг от друга (близки к единице), для практических целей в электротехнике принято подразделять все вещества не на три, а на две группы: ферромагнитные

инеферромагнитные.

Кферромагнитным веществам относятся: железо (сталь), никель, кобальт и их сплавы. К неферромагнитным— все остальные вещества.

Посредством магнитной проницаемости может быть установлена численная связь между величиной магнитной индукции и напряжен­ ностью магнитного поля в той. или иной точке пространства (магнит­ ного поля), а именно: магнитная индукция В численно равна напря­ женности магнитного поля Н, умноженной на величину магнитной про­ ницаемости данной среды:

числе воздуха), для которых роти практически равно единице, формула (3.8) принимает более простой вид:

В = ц0Н.

Для пользования этой формулой необходимо знать величину р0. В сис­ теме СИ она равна 1,256" 10~в*. Под­ ставив эту величину в формулу (3.9), получим:

8 = 1,256 . 10-"//,

откуда

Формулой (3.10) широко пользуются при расчетах магнитных полей в воз­ душной среде.

Что касается соотношения между магнитной индукцией и напря­ женностью магнитного поля в ферромагнитной среде, то здесь дело обстоит значительно сложнее: магнитная проницаемость ферромаг­ нитных веществ не является величиной постоянной, а в свою очередь зависит от величины Н, причем эта зависимость не может быть выра­ жена какой-либо математической формулой. Представление о харак­ тере такой зависимости дает график, изображенный на рис. 3.6. В свя­ зи с этим при расчетах магнитных полей в ферромагнитных веществах определение величины В по Н, и наоборот, приходится выполнять не по формуле (3.8), а иным путем, пользуясь специальными графиками, которые рассматриваются в § 3.5.

* 1,256- 10-6=4л ■10"1. Вывод величины ц0 и ее размерности (гн/м) в настоя­ щем учебном пособии не рассматривается.

45

§ З.Б. М а г н и т н ы е с в о й с т в а ф е р р о м а г н и т н ы х м а т е р и а л о в

Ферромагнитные материалы, и в первую очередь специальные сор­ та стали (электротехнические стали), играют важнейшую роль в уст­ ройстве электрических машин. Для правильной работы этих машин, снижения их конструктивных размеров и веса необходима высокая интенсивность магнитного поля в них, иными словами, высокие значе­ ния магнитной индукции. Из приведенной в предыдущем параграфе формулы (3.8) видно, что при одном и том же значении напряженности магнитного поля Н, а следовательно, н намагничивающей силы lw

Рис. 3.7. Кривая намагничивания электро­ технической стали

величина магнитной индукции В прямо пропорциональна относитель­ ной магнитной проницаемости ротн. Известно, что значение р.отп у ферромагнитных материалов в тысячи раз выше, чем у материалов неферромагнитных. Поэтому сердечники электромагнитов, входящих в состав электрических машин, изготовляются исключительно из фер­ ромагнитных материалов.

Как уже указывалось в § 3.4, относительная магнитная проницае­ мость цотн ферромагнитных материалов является величиной перемен­ ной, функцией напряженности магнитного поля Н. Поэтому при рас­ четах магнитных полей в электрических машинах и аппаратах для связи между величинами В и Н пользуются специальными графиками — к р и в ы м и н а м а г н и ч и в а н и я , отражающими непосред­ ственную зависимость магнитной индукции В от величины напряжен­ ности магнитного поля Н. Кривые эти различны для различных видов ферромагнитных материалов. На рис. 3.7 приведена кривая намагни­ чивания для одного из сортов электротехнической стали. По кривой видно, что сначала процесс намагничивания идет быстро: при увели­ чении намагничивающего тока, а с ним и величины Н от нуля, величина магнитной индукции В быстро растет— кривая круто идет вверх. За­ тем процесс замедляется: увеличение тока и напряженности магнитного поля И не дает заметного приращения величины магнитной индук-

43

щш В — кривая намагничивания идет с малым наклоном к горизон­ тальной оси (проявляется «магнитное насыщение» материала).

Рассмотренная кривая соответствует процессу намагничивания для случая, когда в начальный момент ферромагнитный материал был полностью размагничен или до этого вовсе не намагничивался.

В тех же случаях, когда происходит периодическое перемагничивание материала (с переменной направления намагничивающего тока в обмотке электромагнита и, следовательно, переменной направления

значит запаздывание) и зависимость между величинами В и Н выража­ ется не одинарной кривой намагничивания, а двойной кривой— петле­ образной (рис. 3.8). Суть гистерезиса заключается в том, что измене­ ние магнитной индукции В в процессе перемагничивания отстает от изменения напряженности магнитного поля Н.

Проследим процесс перемагничивания по кривой рис. 3.8. Перво­ начальное намагничивание протекает по кривой 1, подобной кривой рис. 3.7, до некоторого максимального значения магнитной индукции Втйх. А затем, когда намагничивающий ток и с ним напряженность магнитного поля Н начинают убывать, уменьшение магнитной индук­ ции «отстает» — проходит не по прежней кривой, а по кривой 2, рас­ положенной, как видно из рисунка, выше кривой 1. Когда намагничи­ вающий ток и напряженность магнитного поля Н становятся равными нулю, магнитная индукция составляет еще некоторую положительную величину + В 0. Только после изменения направления намагничива­ ющего тока и достижения напряженностью магнитного поля некоторо­ го отрицательного (т. е. обратного) значения — Нс, магнитная индук­ ция спадает до нуля. Затем при значении напряженности магнитного

47

поля — //щах магнитная индукция достигает также своего максимального отрицательного ( т. е. направленного в обратную сторону) значения — Втах. Далее обратный процесс идет путем, аналогичным опи­ санному выше, но уже не по той же кривой 2, а по новой кривой 3, рас­ положенной, как видно из рисунка, ниже кривых 2 и /. Магнитная индукция проходит через значения, равные— В0 и нулевое (при нап­ ряженности магнитного поля -|-#с), и достигает снова своего максималь­ ного положительного значения + В тах. Цикл перемагничивания закончен, последующие циклы перемагничивания проходят по тому же

величина магнитной индукции в цикле перемагничивания спадает до нуля, — з а д е р ж и в а ю щ е й или коэрцитивной силы.

На процесс перемагничивания ферромагнитных материалов затра­

отражаются площадью петли гистерезиса.

§ 3.6. Понятие о магнитной цепи и ее расчете

Магнитная цепь состоит из источника магнитодвижущей (намаг­ ничивающей) силы и тех или иных устройств, в которых создается

иподдерживается в определенном направлении магнитный поток.

Вэлектрических машинах и аппаратах магнитная цепь, как пра­ вило, представляет собой ферромагнитный сердечник, замкнутый или

Рис. 3.9. Схема простейших магнитных цепей:

имеющий воздушные промежутки, с надетой на него обмоткой, явля­ ющейся источником намагничивающей силы. Ферромагнитный сердеч­ ник в данном случае называют м а г н и т о п р о в о д о м . Магнитопровод, выполненный из ферромагнитного материала (из электротех­ нической стали), не только усиливает магнитное поле и увеличивает магнитный поток, но и направляет поток как бы по определенному

43