Магнитные цепи. 
Электротехника и электроника

Общие сведения. Магнитное поле характеризуется двумя основными векторными величинами: индукцией В и напряженностью Н. Между ними существует следующая связь: В = |Лор_отнН, где ро — магнитная проницаемость вакуума; р_отн — относительная магнитная проницаемость. В дальнейшем векторные величины напряженности и индукции будем обозначать прописными буквами В и Н, а мгновенные — строчными буквами b и h.

Величина р _отн используется для оценки магнитных свойств веществ. По магнитным свойствам все вещества (материалы) делятся на две группы:

=> неферромагнитные вещества, для которых р_охн ~ 1;

=> ферромагнитные вещества, магнитная проницаемость которых р_оп," 1.

Магнитные свойства вещества объясняются с помощью вектора намагниченности, обусловленного его кристаллической структурой и наличием внутренних упругих напряжений. В обычных условиях векторы намагниченности направлены в разные стороны и магнитные свойства не проявляются. Если вещество поместить во внешнее магнитное поле, то векторы намагниченности, ориентируясь вдоль поля, увеличивают индукцию вещества в десятки и сотни тысяч раз.

Для характеристики свойств ферромагнитных веществ (или материалов) используют зависимость мгновенных значений индукции b от напряженности h магнитного поля, снятую при периодическом воздействии. Зависимость b = F (h) называется кривой намагничивания и имеет форму гистерезисной петли (рис. 1), что свидетельствует о наличии потерь. Ферромагнитные материалы разделяются на две группы:

=> магнитно-мягкие материалы (железо, стали и их сплавы, ферриты и др.), кривая намагничивания которых (рис. 1, я и б) имеет ярко выраженный нелинейный харакгер и сравнительно малую площадь гистерезисной петли. Они находят широкое применение в различных электротехнических и электронных устройствах;

Рис. 1. Гистерезисные петли магнитно-мягких (а) и магнитно-жестких (б) материалов.

=> магнитно-жесткие материалы (углеродистые стали; вольфрамовые, платинокобальтовые сплавы и др.), кривая намагничивания которых (рис. 1,.

Особенности магнитных цепей. Магнитной цепью называют конструкцию на основе ферромагнитного материала, предназначенную для создания магнитных полей заданной конфигурации и интенсивности. Примером простейших магнитных цепей являются кольцевые (тороидальные) и трсхстержнсвые магнитопроводы (рис. 2,а, б). Магнитная цепь, используемая в измерительных приборах, приведена на рис. 2,в. Она состоит из постоянного магнита и подвижной катушки, расположенной на ферромагнитном цилиндре. При протекании через катушку постоянного тока создается вращающий момент, что вызывает поворот цилиндра на определенный угол. Более сложную магнитную цепь имеют генераторы и электродвигатели. По топологическому признаку различают неразветвленные (рис. 2₉а) и разветвленные (рис. 2,6) магнитные цепи.

Магнитное поле создается (возбуждается) катушкой с током (рис. 2,а, б) или постоянным магнитом (рис. 2, в).

Если через провод пропустить постоянный ток, то вокруг него создается постоянное магнитное поле, которое можно представить в виде непрерывных магнитных линий вектора индукции В. Совокупность линий.

образует магнитный поток Ф. Если провол разместить на магнитопроводе в виде обмотки (катушки), то основной поток, создаваемый каждым ее витком, будет циркулировать по магнитопроводу. Результирующий поток, создаваемый всеми витками w обмотки, называется потокосцеплени-

w.

ем, при этом ц/ = — Li, где L — индуктивность катушки; / — иро;

*=i.

текающий через нее ток; Ф* = BS; S— площадь сечения магнитопровода.

Рис. 2. Простейшие магнитные цепи: в виде тороидального (а) и трсхстсржнсвого (б) магнитопровода; цепь из постоянного магнита и подвижной катушки, расположенной на ферромагнитном цилиндре (в).

Магнитодвижущей силой (МДС) катушки с током называют произведение числа витков на протекающий, но ней ток: F = wl. Если в электрической цепи ЭДС создает ток, то в магнитной цепи МДС вызывает магнитный поток. Положительное направление МДС определяется по направлению движения часовой стрелки (правило буравчика).

Закон полною тока. Этот закон устанавливает количественную связь между напряженностью магнитного поля и токами: линейный интеграл от вектора напряженности магнитного поля вдоль любого замкнутого контура равен алгебраической сумме токов, охваченных этим контуром:

^Hdl =^1. Линейный интеграл между двумя точками а и b магнитной.

h

цепи называют падением магнитного напряжения: = J Hdl. Если на.

а

этом участке вектор Н совпадает по направлению с элементом пути dl и значение напряженности магнитного поля равно Н = const, то магнитное напряжение U_аь ⁼ Н1"&, где 1 _аь — длина участка. Если участок ab содержит N элементарных участков, на каждом из которых напряженность посто;

N

янна и равна Н", то U_u/) = ^Н"1_я, где 1_п — длина w-го участка.

Л"1.

Чаконы Кирхгофа для магнитных цепей. Согласно первому закону алгебраическая сумма потоков в узле равна нулю: = 0. По второму за;

к

кону алгебраическая сумма падений магнитного напряжения вдоль замкнутого контура равна алгебраической сумме МДС: _к =0. Вто;

к к

рой закон по своей сути является частным случаем закона полного тока.

Перед составлением уравнений для магнитной цепи выбираются положительные направления потоков и обхода контуров. Если направления магнитного потока и МДС совпадают с направлением обхода, указанные величины входят в уравнение со знаком плюс, в противном случае — указывается знак минус.

Цель анализа — определение магнитного потока или МДС магнитной цени.

Таким образом, если для электрических цепей основными величинами являются ток и напряжения, то для магнитных цепей таковыми служат магнитный поток и магнитодвижущая сила (МДС).