Магнитная цепь

⇐ ПредыдущаяСтр 17 из 49Следующая ⇒

Для того чтобы сосредоточить магнитное поле в определенной части электрической машины, аппарата или прибора и уменьшить мощность, потребляемую катушкой электромагнита, создающего это поле, в конструкции этих устройств широко применяют различные элементы из ферромагнитных материалов. Совокупность таких элементов с разделяющими их воздушными зазорами составляет магнитопровод или магнитную цепь электрической машины, аппарата или прибора. Например, магнитная цепь электромагнитного реле (рис. 49, а) состоит из трех участков: сердечника 2, якоря 4 и двух воздушных зазоров 6. По замкнутому контуру, образованному этими участками, проходит магнитный поток 3, создаваемый током катушки 1. При переходе через воздушные зазоры, разделяющие сердечник и якорь, часть магнитного потока замыкается по воздуху, т. е. не проходит через якорь, — возникает поток рассеяния 5.

Магнитное поле в магнитной цепи электрической машины постоянного тока создается током катушек 7 (рис. 49, б), расположенных на полюсах 8. Эти катушки называют обмотками возбуждения. Создаваемый ими магнитный поток проходит через сердечники полюсов, вращающуюся часть машины — якорь 9, воздушные зазоры 11 между полюсами и якорем и замыкается через остов 10.

Магнитодвижущая сила. Способность тока возбуждать магнитное поле оценивается его магнитодвижущей силой (м. д. с). Магнитодвижущая сила F измеряется в амперах. Магнитодвижущая сила проводника с током I равна силе этого тока: F=I.

В общем случае, когда какой-либо замкнутый контур охватывает несколько токов (показан на рис. 50, а штриховой линией), суммарная магнитодвижущая сила равна их алгебраической сумме

F = ∑I.

Для случая, показанного на рис. 50, а,

F=I₁-I₂+I₃

Магнитодвижущая сила катушки (рис. 50, б) представляет произведение тока I на число ее витков ω. Это объясняется тем, что замкнутый контур магнитной цепи (показан штриховой линией), сцепленный с катушкой, охватывает ток I не один, a ω раз, т. е.

Е = Iω. (45')

Закон Ома для магнитной цепи. Для лучшего понимания условий возникновения магнитного поля в магнитных цепях целесообразно провести аналогию между магнитной цепью и цепью электрической. Это можно сделать, например, для простейшей магнитной цепи, на всем протяжении которой напряженность Н магнитного поля постоянна. Для такой цепи произведение напряженности Н на длину l магнитной цепи по всему ее замкнутому контуру равно алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром,

Hl = ∑I = F

Эта формула выражает закон полного тока для рассматриваемой магнитной цепи. Сумма токов ∑I, пронизывающих какой-либо замкнутый контур, называется полным током; отсюда и получил свое название этот закон.

Если в эту формулу подставим напряженность Н, заменив индукцию В, то получим зависимость магнитного потока Ф от магнитодвижущей силы F и парамет ров данной магнитной цепи, т. е. от ее магнитного сопротивления r_м. Эта зависимость называется законом Ома для магнитной цепи. Он формулируется следующим образом. Магнитный поток, проходящий по магнитной цепи, равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление цепи,

Ф = F/r_м.

Магнитное сопротивление r_м = l (μ_aS) зависит от длины l магнитной цепи, поперечного сечения S и магнитной проницаемости μ_a.

Например, магнитный поток Ф, созданный катушкой с числом витков ω,

Из этой формулы следует, что действие магнитодвижущей силы аналогично действию электродвижущей силы. Подобно тому как э. д. с. является причиной возникновения тока в электрической цепи, так и м. д. с, является причиной возникновения магнитного потока в магнитной цепи. Чем больше магнитодвижущая сила F, создаваемая катушкой электромагнита, тем больший магнитный поток проходит по его магнитной цепи.

Магнитное сопротивление r_м играет в магнитной цепи роль, аналогичную электрическому сопротивлению цепи. Так же как в электрической цепи с увеличением сопротивления уменьшается ток, так и в магнитной цепи с увеличением магнитного сопротивления уменьшается магнитный поток. Следует, однако, отметить, что эта аналогия не распространяется на физические процессы, имеющие место в электрических и магнитных цепях. Кроме того, магнитное сопротивление r_м является нелинейным. Оно зависит от магнитной проницаемости μ_а, которая изменяется при изменении индукции, т, е. магнитного потока, проходящего через данный участок цепи. Поэтому при расчетах магнитных цепей пользуются кривыми намагничивания, т. е. зависимостями напряженности Н от индукции В для соответствующего ферромагнитного материала.

Возрастание магнитного потока в какой-либо электрической машине или аппарате можно обеспечить:

- увеличением магнитодвижущей силы F катушки, создающей магнитное поле в данной машине или аппарате, т. е. увеличением проходящего по ней тока I или числа витков ω катушки;

- уменьшением магнитного сопротивления магнитной цепи данной машины или аппарата путем применения ферромагнитных материалов с большей магнитной проницаемостью μ_а;

- уменьшением воздушных зазоров, разделяющих отдельные участки магнитной цепи, выполненные из ферромагнитных материалов (воздушные зазоры, имеющиеся в магнитной цепи, создают весьма большое магнитное сопротивление);

- увеличением площади поперечного сечения S отдельных участков магнитной цепи или же уменьшением общей длины магнитной цепи и ее отдельных участков.

Все эти меры широко используют при конструировании электрических машин и аппаратов. Магнитопроводы стараются выполнить из высококачественных ферромагнитных материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью (электротехнической стали или специальных сплавов), воздушные зазоры свести до минимальных значений,

5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИЛЫ, СОЗДАВАЕМЫЕ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Проводник с током в магнитном поле. Энергия, заключенная в магнитном поле, может проявлять себя в виде электромагнитных сил, которые возникают при взаимодействии магнитного поля с движущимися электрическими зарядами. Электромагнитная сила, возникающая при движении электрического заряда в магнитном поле, действует на него в направлении, перпендикулярном движению и направлению силовых линий, и стремится вытолкнуть заряд за пределы поля (см. рис. 37).

Если поместить в магнитное поле проводник с током I, то между электронами, проходящими по проводнику, и магнитным полем возникнут электромагнитные силы, которые, складываясь, образуют результирующую силу F, стремящуюся вытолкнуть проводник из магнитного поля (рис, 51). Электромагнитная сила определяется законом Ампера. Он формулируется следующим образом. Электромагнитная сила, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля, равна произведению силы тока I, индукции магнитного поля В и длины проводника l:

F = IBl, если α= 90⁰

Если проводник расположен под углом α к силовым магнитным линиям, то

F = ВIl sin α.

Чтобы получить F в ньютонах, надо В брать в теслах, I — в амперах и l — в метрах.

Направление действия силы F обычно определяют по правилу левой руки: ладонь левой руки нужно расположить так, чтобы магнитные линии входили в нее и четыре, вытянутых пальца совпадали с направлением тока, тогда расположенный под прямым углом большой палец укажет направление действия электромагнитной силы. Сила F возникает только в том случае, если проводник расположе перпендикулярно или под некоторым углом к магнитным силовым линиям поля. Если же проводник расположен вдоль силовых линий поля, то электромагнитная сила будет равна нулю.

Возникновение электромагнитной силы F при взаимодействии проводника с током и магнитного поля можно наглядно представить как результат взаимодействия двух магнитных полей. Как известно, вокруг проводника с током возникает свое собственное круговое магнитное поле (рис. 52), которое будет складываться с внешним магнитным полем (например, постоянного магнита), в которое помещен проводник с током. При этом справа от проводника, где силовые линии поляпроводника совпадают с линиями внешнего поля, происходит сгущение силовых линий; слева от проводника, где силовые линии поля проводника направлены навстречу линиям внешнего поля, происходит разрежение силовых линий. Магнитные силовые линии обладают свойством упругости, напоминающим свойство резиновых нитей. Стремясь
сократиться по длине, они будут выталкивать проводник из области сгущения силовых линий в сторону их разрежения, т. е, справа налево. В результате возникаетэлектромагнитная сила F.

Виток с током в магнитном поле. Если поместить в магнитное поле не проводник, а виток (или катушку) с током и расположить его вертикально (рис. 53, а), то, применяя правило левой руки к верхней и нижней сторонам витка, получим, что электромагнитные силы F, действующие на них, будут направлены в разные стороны. В результате действия этих двух сил возникает электромагнитный вращающий момент М, который вызовет поворот витка, в данном случае по часовой стрелке. Этот момент

М = FD,

где D — расстояние в проэкции между сторонами витка.

Виток будет поворачиваться в магнитном поле до тех пор, пока он не займет положение, перпендикулярное магнитным силовым линиям поля (рис. 53, б). При таком положении через виток будет проходить наибольший магнитный поток. Следовательно, виток или катушка с током, внесенные во внешнее магнитное поле, всегда стремятся занять такое положение, чтобы через виток проходил возможно больший магнитный поток. Свойство витка и катушки с током поворачиваться в магнитном поле широко используется в электротехнике; электрические двигатели и ряд электроизмерительных приборов работают по этому принципу.

Для увеличения вращающего момента в электрических двигателях применяют не один виток, а несколько. Эти витки, соединенные соответствующим образом, образуют обмотку якоря электродвигателя.

6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Индуктирование э. д. с. При перемещении проводника в магнитном поле в нем возникает или, как говорят, индуктируется э. д. с. Это явление называется электромагнитной индукцией. Возникновение э. д. с. объясняется действием сил магнитного поля на находящиеся в проводниках свободные электроны. Свободные электроны под влиянием этих сил начнут двигаться вдоль проводника (рис. 54, а). В результате этого движения на одном конце проводника накопятся свободные электроны и возникнет отрицательный электрический заряд, а на другом конце ввиду недостатка электронов появится положительный заряд. Такое разделение электрических зарядов при движении проводника в магнитном поле будет происходить до тех пор, пока электромагнитные силы не уравновесятся силами электрического поля, возникающего в проводнике в результате появления на его концах разноименных электрических зарядов. Разность потенциалов на концах проводника численно равна индуктированной в проводнике э.д.с. Индуктирование э. д. с. в проводнике происходит независимо от того, включен ли он в какую-либо электрическую цепь или нет. Если присоединить концы этого проводника к какому-либо приемнику электрической энергии, то под влиянием разности потенциалов на концах проводника по замкнутой цепи потечет электрический ток. Значение индуктированной э. д. с. определяется законом электромагнитной индукции Фарадея. Он формулируется следующим образом. Индуктированная э. д. с. е прямо пропорциональна индукции магнитного поля В, активной длине проводника l и скорости его перемещения ν в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля,

е = Blv, если α= 90⁰

Если проводник движется под углом α к направлению поля, то

е = Blv sin α.

Если проводник перемещается вдоль силовых линий поля, т. е. как бы скользит по ним, то э. д. с. в нем не возникает.

Направление индуктированной э. д. с. определяют правилом правой руки. Если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палегц указывал направление движения проводника (т. е. направление его скорости ν), то вытянутые четыре пальца укажут направление индуктированной э. д. с.(рис 54, б). Пользуясь этим правилом, легко убедиться в том, что при изменении направления движения проводника будет изменяться и направление индуктированной э. д. с.

Индуктировать э. д. с. в проводниках можно и не перемещая их в магнитном поле. Для этого необходимо перемещать само магнитное поле или изменять тем или иным путем магнитный поток, охватываемый витком, катушкой или каким-либо другим замкнутым контуром. Индуктированная, таким образом э. д. с. определяется согласно закону электромагнитной индукции Максвелла: Э. д. с. индуктированная в замкнутом контуре (рис. 55, а), равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур, т. е.

е = - ΔФ/Δt,

где ΔФ = Ф₁-Ф₂ — изменение магнитного потока, пронизывающего контур (от значения Ф₁ до значения Ф₂); Δt — промежуток времени (от момента t₁ до момента t₂), в течение которого происходит указанное изменение потока.

Иными словами, чем быстрее изменяется магнитный поток, пронизывающий замкнутый контур, тем больше индуктированная э. д. с. Каждый виток можно рассматривать как некоторый замкнутый контур. Э. д. с. индуктированная в катушке с числом витков ω, если все ее витки пронизываются одним и тем же потоком (рис. 55, б),

е = - ω ΔФ/Δt.

Отдельные витки катушки могут пронизываться различными потоками (рис. 55, в), т. е. могут быть сцеплены с различным числом силовых магнитных линий. Алгебраическая сумма потоков, сцепленныхсо всеми витками катушки, называется ее потокосцеплением Ψ.

Например, для катушки, показанной на рис, 55, в,

Ψ = ω₁Ф₁ + ω₂ (Ф₁ + Ф₂).

Индуктированная э. д. с. в этом случае

е = - ΔΨ/Δt,

где ΔΨ — изменение потокосцепления Ψ за время Δt. Следовательно, в общем случае индуктированная э. д. с. равна скорости изменения потокосцепления катушки.

Правило Ленца. Направление индуктированной э. д. с. определяется правилом Ленца. Его формулируют следующим образом: индуктированная э. д. с. имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей появление э.д.с., т. е. противодействует изменению магнитного потока. Знак «минус» в формулах выражает существо правила Ленца: если изменение потока Ф или потокосцепления Ψ положительно (например, увеличивается), то э. д. с. е отрицательна, т. е. созданный ею ток будет уменьшать Ф или Ψ.

Правило Ленца может быть проиллюстрировано следующими примерами. При опускании магнита (или электромагнита) внутрь катушки (рис. 56, а), э. д. с. индуктированная в катушке, имеет такое направление, при котором созданное током катушки магнитное поле будет противодействовать опусканию магнита. При удалении же магнита из катушки (ряс. 56, б) индуктированная в ней э. д. с. создает ток, направленный так, что магнитное поле катушки препятствует удалению магнита.

Если изменять ток i₁ в проводнике А Б (рис. 57), например, замыкая и размыкая электрическую цепь, в которую он включен, то в расположенном параллельно ему проводнике ВГ индуктируется э. д. с. е_м. Индуктирование э. д. с. происходит в результате изменения магнитного потока, созданного током i₁. Часть этого изменяющегося потока пронизывает замкнутый контур, составленный из проводника ВГ и присоединенного к нему электроизмерительного прибора. Э. д. с. е_м направлена так, чтобы вызванный ею ток i ₂ создавал магнитный поток, препятствующий изменению магнитного поля, созданного током i₁ протекающим в проводнике A Б.

При увеличении тока i₁ э, д. е. е_м и ток i ₂ в проводнике ВГ будут направлены против тока i₁. При уменьшении же тока i₂ э. д. с. е_м и ток i ₂ будут направлены в ту же сторону, что и ток i₁.

Способы индуктирования э.д.с. в электрических машинах. Явление электромагнитной индукции широко используется в различных электрических машинах и устройствах. На этом принципе основано устройство электрических генераторов, двигателей и трансформаторов. Для индуктирования э. д. с. в них обычно применяются три способа:

- изменение тока в катушке 1 (рис. 58, а), в магнитном поле которой расположена вторая катушка 2. При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый второй катушкой, и в ней, а также и в первой катушке будут индуктироваться электродвижущие силы е₂ и е₁. Этот способ используют в трансформаторах;

- вращение магнитного поля, созданного постоянными магнитами или электромагнитами 3, относительно неподвижных катушек 4 (рис. 58, б). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, пронизывающий каждую катушку, и в них индуктируются э. д. с. е. Такой способ используют в основном в машинах переменного тока;

- вращение витков 6 или катушек в постоянном магнитном поле, созданном неподвижными постоянными магнитами 5 или электромагнитами (рис, 58, в). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый каждым витком или катушкой, вследствие чего в них индуктируется э. д. с. Этот способ используют в основном в электрических машинах постоянного тока.

В рассмотренных случаях э. д. с. индуктированные в витках или катушках, будут переменными.

⇐ Предыдущая 12 13 14 15 161718 19 20 21 Следующая ⇒

Date: 2015-11-13; view: 1816; Нарушение авторских прав
Понравилась страница? Лайкни для друзей:

mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.016 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию