Методические рекомендации к рабочей программе дисциплины "Электротехника и электроника"

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное АВТОНОМНОЕ образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Московский областной политехнический колледж – филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (МОПК НИЯУ МИФИ)

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

к рабочей программе

учебной дисциплины

ОП.02 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

для специальности

13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)

среднего профессионального образования

Базовая подготовка

Электросталь

Методические рекомендации разработаны к рабочей программе составленной в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом (ФГОС-3++) по специальности СПО 13.02.11«Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)» и в соответствии с требованиями профессиональных стандартов атомной отрасли, работодатель: ПАО «Машиностроительный завод» АО «ТВЭЛ» ГК Росатом

Организация-разработчик: Московский областной политехнический колледж – филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Разработчик: ____________________ А.С. Потапова

Рассмотрено и одобрено цикловой комиссией КИПиА и электротехнических дисциплин

Протокол № 8 от 31 марта 2022 г.

Председатель цикловой комиссии ________________ Трохин И. С.

«Согласовано»

Начальник отдела подбора,

оценки и развития персонала

ПАО «Машиностроительный завод» _________________ Ю.И. Павлинова

Методические рекомендации разработаны для специальности СПО.

Методические рекомендации предназначены для преподавателей и студентов.

Аннотация к методическим рекомендация рабочей программы учебной дисциплины ОП.2 «Электротехника и электроника»

Методические рекомендации предлагают опыт изложения материала по теме «Магнитное поле и электрический ток» по дисциплине «Электротехника и электроника» для преподавателей и студентов при самостоятельном изучении и дистанционном обучении по специальности 13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)».

Подробно рассмотрены вопросы возникновения магнитного поля под действием электрического тока, взаимодействия электрического и магнитного полей. Дана характеристика особенностей магнитных полей прямого тока, кругового тока, постоянного магнита, электромагнита, магнитной цепи. Проанализированы основные магнитные величины, приведены формулы для их определения при расчете магнитных полей.

Методические рекомендации включают в себя упражнения для закрепления изучаемого материала, проверки знаний, рассмотрены примеры.

Предлагаемые методические рекомендации могут быть использованы как преподавателями при изложении данной темы, так и студентам при самостоятельном изучении дисциплины или дистанционном обучении. Рабочая программа учебной дисциплины ОП.2 «Электротехника и электроника» входит в общепрофессиональный цикл и является частью основной профессиональной образовательной программы в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом по специальности среднего профессионального образования 13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)» (базовая подготовка) в части освоения видов профессиональной деятельности «Организация простых работ по техническому обслуживанию и ремонту электрического и электромеханического оборудования», «Выполнение сервисного обслуживания бытовых машин и приборов», «Освоение работ по профессии слесарь-электрик по ремонту электрооборудования» и соответствующих им профессиональных компетенций (ПК):

ПК 1.1. Выполнять наладку, регулировку и проверку электрического и электромеханического оборудования.

ПК 1.2. Организовывать и выполнять техническое обслуживание и ремонт электрического и электромеханического оборудования.

ПК 1.3. Осуществлять диагностику и технический контроль при эксплуатации электрического и электромеханического оборудования.

ПК 2.1. Организовывать и выполнять работы по эксплуатации, обслуживанию и ремонту бытовой техники.

ПК 2.2. Осуществлять диагностику и контроль технического состояния бытовой техники.

ПК 2.3. Прогнозировать отказы, определять ресурсы, обнаруживать дефекты электробытовой техники.

С целью овладения указанным выше видам профессиональной деятельности и соответствующими ПК обучающийся в ходе освоения дисциплины с применением методических рекомендаций должен:

иметь практический опыт выполнения работ по технической эксплуатации, обслуживанию и ремонту электрического и электромеханического оборудования, использования основных измерительных приборов;

уметь

• подбирать устройства электронной техники, электрические приборы и оборудование с определенными параметрами и характеристиками;

• правильно эксплуатировать электрооборудование и механизмы передачи движения технологических машин и аппаратов;

• рассчитывать параметры электрических и магнитных цепей;

• снимать показания электроизмерительных приборов и приспособлений и пользоваться ими;

• собирать электрические схемы и проверять их работу;

• читать принципиальные, электрические и монтажные схемы;

знать

• классификацию электронных приборов, их устройство и область применения;

• методы расчета и измерения основных параметров электрических, магнитных цепей;

• основные законы электротехники;

• основные правила эксплуатации электрооборудования и методы измерения электрических величин;

• основы теории электрических машин, принцип работы типовых электрических устройств;

• основы физических процессов в проводниках, полупроводниках и диэлектриках;

• параметры электрических схем и единицы их измерения;

• принципы выбора электрических и электронных устройств и приборов;

• принцип действия, устройство, основные характеристики электротехнических и электронных устройств и приборов;

• свойства проводников, полупроводников, электроизоляционных, магнитных материалов;

• способы получения, передачи и использования электрической энергии;

• устройство, принцип действия и основные характеристики электротехнических приборов;

• характеристики и параметры электрических и магнитных полей.

В результате освоения дисциплины с применением методических рекомендаций обучающийся должен обладать общими компетенциями (ОК), включающими в себя способность:

ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), за результат выполнения заданий.

ОК 8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 9. Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности.

Методические рекомендации к рабочей программе учебной дисциплины ОП.2 «Электротехника и электроника» позволяют учесть требования ПАО «МСЗ» ГК Росатом к освоению обучающимися как обязательных профессиональных компетенций, установленных ФГОС 3++ СПО, так и дополнительных компетенций, знаний и умений в профессиональной деятельности, необходимых для повышения конкурентоспособности выпускников специальности 13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)» в соответствии с запросом электроэнергетических подразделений и службы главного энергетика ПАО»МСЗ» и других предприятий ГК Росатом.

Содержание

		стр.
	Аннотация к методическим рекомендациям рабочей программы учебной дисциплины ОП.2 «Электротехника и электроника» для специальности 13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)»	3
	Магнитное поле и электрический ток	8
	Примеры магнитных полей и их изображение	12
	2.1. Магнитное поле прямого тока	14
	2.2. Магнитное поле кругового тока	15
	2.3. Магнитное поле катушки и постоянного магнита	16
	2.4. Электромагнит	19
	2.5. Магнитная цепь	19
	Магнитные величины	21
	3.1. Магнитный поток	22
	3.2. Магнитная индукция	22
	3.3. Напряженность магнитного поля	24
	3.4. Магнитная проницаемость	29
	3.5. Намагничивающая сила	30
	Закон полного тока.	32
	4.1. Напряженность на оси кольцевой катушки	33
	4.2. Напряженность вокруг прямого провода	34
	Подведем итоги	35
	Литература	37

1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Принципиально новым, не вытекающим из предыдущих тем, является то, что вокруг электрического тока существует магнитное поле. Существование магнитного поля вокруг тока открыл датский физик Эрстед в 1820 году. Свое название поле получило потому, что оказалось тем же самым, что и поле известных всем магнитов. Электрический ток, как и магнит, действует на магнитную стрелку.

Оказалось, что магнитное поле неотъемлемое

Рис.1 свойство тока. Есть ведь и другие действия, проявляемые электрическим током: тепловое, химическое. Но тепловое действие может быть, а может и не быть (например, при прохождении тока через вакуум, где нет сопротивления, нет и выделения тепла).

Химические действия могут быть, а могут и не быть (например, при прохождении тока по металлическим проводникам химические действия не проявляются).

Магнитное поле вокруг тока есть всегда, где бы ток не проходил: по металлическим ли проводникам, в электролитах, в газе или вакууме. НЕТ ТОКА БЕЗ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

Электрический ток – это д в и ж е н и е электрических зарядов. Поэтому можно сказать, что магнитное поле существует вокруг движущихся зарядов. Даже отдельно заряженное тело при движении создает вокруг себя магнитное поле.

ЗАКОНЧИ ПРЕДЛОЖЕНИЯ:

Пока заряд неподвижен – вокруг него будет только …………..(1).

Как только заряд придет в движение – вокруг него, кроме электрического, возникает …………………….. (2).

Е СТЬ ЕЩЕ ОДНО ЯВЛЕНИЕ, порождающее магнитное поле. Это – изменение электрического поля. Для уяснения сказанного обратимся к рисунку 2. К источнику постоянного тока подключен конденсатор. Поскольку цепь разомкнута конденсатором, тока нет, нет и магнитного поля.

Рис.2

Но конденсатор заряжен, и между его обкладками существует электрическое поле. Переведем переключатель П из положения 1 в положение 2. Конденсатор начнет разряжаться, то есть с его положительной обкладки на отрицательную по соединяющему их проводу потечет ток. Вокруг этого тока возникает магнитное поле.

Однако магнитное поле одновременно возникает и вокруг электрического поля внутри конденсатора, как будто бы сквозь конденсатор идет ток. Так будет, до тех пор, пока идет разрядка конденсатора, то есть пока электрическое поле между обкладками конденсатора у м е н ь ш а е т с я и и с ч е з а е т, вообще говоря, и з м е н я е т с я. Если снова перевести переключатель в положение 1, то, пока идет зарядка, пока идет зарядный ток, снова возникает магнитное поле. И не только вокруг проводов, но и вокруг электрического поля внутри конденсатора, потому что оно р а с т е т, п о я в л я е т с я, вообще говоря, и з м е н я е т с я. Когда зарядка закончится, движение зарядов прекратиться, магнитное поле исчезнет. Останется только электрическое.

ИТАК, МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПОРОЖДАЕТСЯ:

1. электрическим током;

2. отдельно движущимися электрически заряженными телами;

3. изменяющимся электрическим полем.

Движение отдельно заряженного тела тоже можно считать электрическим током. Такой ток был назван т о к о м п е р е н о с а. Изменение электрического поля также было названо током – т о к о м с м е щ е н и я. Анализируя наши рассуждения можно утверждать, что в любом случае магнитное поле создается только токами. НЕТ МАГНИТНОГО ПОЛЯ БЕЗ ТОКА.

А МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ? Французский ученый Ампер высказал гипотезу, которая впоследствии была подтверждена всем развитием науки, что магнитное поле магнитов тоже порождается электрическим токами. Этими токами является вращение электронов в атомах вокруг собственной оси и вокруг ядра атома. Тем самым было доказано, что никакого особого вещества – частиц магнетизма, которые порождали бы магнитное поле, нет в природе. Частицы электричества в природе существуют (например, электроны, протоны), а частиц магнетизма не существует. Магнитное поле имеет только электрическое происхождение.

ТОКИ В АТОМАХ вещества называют микротоками в отличие от токов, рассмотренных ранее и называемых макротоками. Пользуясь этой терминологией, мы говорим, что магнитное поле создается и МАКРОТОКАМИ и МИКРОТОКАМИ.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ. А это что такое? В порядке небольшого отступления от темы нам необходимо дать понятие и о нем.

Ранее было сказано, что изменение электрического поля порождает магнитное поле. Вполне уместен вопрос: а нет ли обратного явления? Всякое изменение магнитного поля порождает в смежных областях пространства электрическое поле.

Допустим, в проводе протекает переменный ток. Следовательно, вокруг проводника возникает переменное, изменяющееся изменение магнитное поле. Изменения магнитного поля будут возбуждать в соседних областях пространства электрическое поле – тоже изменяющееся (явление электромагнитной индукции). А оно, в свою очередь, будет возбуждать в следующих точках пространства новую волну магнитного поля и т.д. Этот процесс взаимного преобразования полей распространяется в пространстве со скоростью света.

Так вот, взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля и составляют единое э л е к т р о м а г н и т н о е п о л е. Это поле распространяется в пространстве в виде электромагнитных в о л н. Длина волны разных электромагнитных полей – от миллиардных долей миллиметра до нескольких тысяч километров. Электромагнитные волны существуют вокруг нас повсюду. Вы видите этот текст и далекие звезды благодаря электромагнитным волнам. Ведь свет – тоже электромагнитные волны. Мы включаем телевизор и радиоприемник: радиоволны – это тоже электромагнитные поля. С помощью электромагнитных волн астрономы не только слушают далекие миры, но и осматривают поверхности планет и их спутников.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ И МАГНИТНОЕ ПОЛЯ – ЭТО ДВЕ СТОРОНЫ ЕДИНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ.

Естественно, что изучать отдельную сторону явления легче, чем все явление в целом. Тем более, что возможно практически реализовать условия, чтобы было лишь одно постоянное электрическое (электростатическое) поле. Для этого необходимо только, чтобы электрические заряды были неподвижны. Вполне возможно реализовать условия, чтобы было одно постоянное магнитное поле. Магнитное поле и есть объект изучения в данной теме.

Для начала, чтобы не путать магнитное поле с электрическим, полезно запомнить, что электрическое поле неразрывно связано с такими понятиями, как «напряжение» (вольты), «изоляция», «емкость». А магнитное поле столь же неразрывно связано с понятиями «ток» (амперы), «проводники», «индуктивность».

УПРАЖНЕНИЯ (проверьте себя):

1. Дана электрическая цепь постоянного тока:

   • Что нужно сделать, чтобы между проводами не было магнитного поля, а было бы только электрическое?

   • Что надо сделать, чтобы вокруг провода было бы только магнитное поле и не было электрического?

   • В каком случае вокруг проводов существуют одновременно и электрическое и магнитное поля? Можно ли назвать совокупность этих двух полей электромагнитным полем?

   • Можно ли получить электромагнитное поле от электрической цепи постоянного тока?

ВСПОМНИМ из первой темы,

что поле – не вещество, оно может существовать и там, где нет никакого вещества, что это особая форма материи, осуществляющая взаимодействие… Взаимодействие между чем? Гравитационное поле существует вокруг масс и осуществляет взаимодействие между массами (по закону всемирного тяготения). Электростатическое поле существует вокруг электрических зарядов и осуществляет взаимодействие между зарядами (по закону Кулона).

ЗАКОНЧИ ПРЕДЛОЖЕНИЯ:

Магнитное поле существует вокруг …………. (3) и осуществляет взаимодействие между ………………….. (4).

Взаимодействие между магнитами объясняется ………….. (5).

ДЛЯ ПРОВЕРКИ по первой теме:

(1) электрическое поле; (2) магнитное поле; (3) вокруг тока, вокруг макротоков и микротоков; (4) между токами, между движущимися зарядами; (5) действием микротоков в них.

2.ПРИМЕРЫ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ИХ ИЗОБРАЖЕНИЕ

На рис.3 изображены магнитные поля, образующиеся вокруг проводников с токами, вокруг магнитов и электромагнитов различной формы. Такие изображения легко получить с помощью железных опилок, посыпанных тонким слоем на картон. Опилки, под действием магнитных сил, перемещаясь и распределяясь, примут пространственное положение в соответствии с
м а г н и т н ы м и с и л о в ы м и л и н и я м и. Магнитные силовые линии на рисунках показаны пунктиром.

Понятно, что опилки не могут показать нам магнитные силовые линии внутри магнита или в сердечнике электромагнита, но более тонкие опыты подтверждают, что магнитные силовые линии не обрываются, а проходят сквозь тела, как это показано на рисунках 3е, 3ж, и 3з.

Рассматривая эти рисунки, в первую очередь нужно обратить внимание на то, что магнитные силовые линии в с е г д а з а м к н у т ы, они не имеют ни начала, ни конца. В этом внешнее отличие магнитных силовых линий от силовых линий электростатического поля, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Рис.3 Магнитные поля:

а) магнитное поле прямого тока; б) магнитное поле кругового тока; в) магнитное поле катушки (соленоида); г) магнитное поле постоянного магнита; д) магнитное поле электромагнита; е) магнитное поле подковообразного электромагнита (под ним – якорь); ж) простейшая магнитная цепь; з) разветвленная магнитная цепь (в центре – якорь).

ЗАКОНЧИ ПРЕДЛОЖЕНИЯ:

Магнитным силовым линиям негде начинаться, так как магнитных зарядов …………..(1).

Магнитные силовые линии возникают вокруг положительных и отрицательных зарядов, как и силовые линии электростатического поля; требуется только, чтобы эти заряды …………………….. (2).

На магнитных силовых линиях показаны стрелки, указывающие направление этих линий (направление поля). Оно принимается таким, как покажет северный конец магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля. Направление поля зависит от направления тока. Для практики важно уметь определять направление поля, если известно направление тока, и наоборот. Рассмотрим каждое магнитное поле в отдельности.

2.1. Магнитное поле прямого тока (рис.3а)

Магнитное поле имеет вид концентрических окружностей, сквозь центр которых проходят линии тока. Должно быть понятно, что такие же концентрические окружности магнитных силовых линий существуют вокруг тока по всей длине провода. Магнитные силовые линии ОХВАТЫВАЮТ ток. Это явление общее, его можно увидеть и на других рисунках.

Взаимные направления поля и тока можно определить по ПРАВИЛУ БУРАВЧИКА (рис.4):

Если ввинчивать винт по направлению тока, то направление вращения ручки совпадет с направлением магнитных силовых линий.

Рис.4

Одно направление известно (например, тока), другое – можно определить (направление магнитных силовых линий).

УПРАЖНЕНИЯ (проверьте себя):

1. В проводе ток идет от нас (это указывается крестиком в торце провода). Изобразите магнитные силовые линии (с указанием направления) вокруг этого провода.

1. Магнитная стрелка, поднесенная к проводу снизу, установилась так, как показано на рисунке. Определить направление тока в проводнике.

1. П оказано направление тока в проводе. Как повернется магнитная стрелка, расположенная над проводом?

1. Магнитная стрелка, поднесенная к проводу, в месте указанном на рисунке, повернулась северным концом к нам (поэтому видна с торца, как точка). Найти (+) и (–) источника (точки А и Б).

1. П рименяя правило буравчика к отдельным участкам контура, как к прямолинейному проводу, нарисуйте магнитное поле кругового тока. Куда направлены магнитные силовые линии в н у т р и контура?

2.2. Магнитное поле кругового тока (рис.3б)

Как получается такая форма магнитного поля, ясно из последнего упражнения. Электротехнику интересует магнитное поле, проходящее сквозь контур. В нашем примере все силовые линии внутри контура направлены от нас, и это отмечено крестиком в центре контура. Совокупность всех магнитных линий, пронизывающих контур тока, называют
м а г н и т н ы м п о т о к о м. Следовательно, можно сказать, что контур с током ОХВАТЫВАЕТ магнитный поток. Это тоже явление общее, его можно увидеть и на других рисунках. Итак,

Кольца магнитных силовых линий охватывают ток, а кольца тока охватывают магнитный поток.

Учитывая это, правило буравчика в применении к круговому току можно видоизменить так (рис.5):

Рис.5

Если ввинчивать винт по направлению магнитного потока, то направление вращения ручки совпадет с направлением тока в кольцевом проводнике.

У ПРАЖНЕНИЯ (проверьте себя):

1. Магнитная стрелка внутри контура повернулась северным концом к нам. Укажите направление тока в контуре.

1. Д ано направление тока в контуре (стрелка тока всегда наносится на стороне витка, обращенной к нам). Покажите направление магнитного потока внутри контура.

2.3. Магнитное поле катушки и постоянного магнита (рис.3в,г)

Изображение магнитного поля катушки легко получить, применив правило буравчика во второй формулировке. Обратите внимание на удивительное сходство магнитных полей катушки и полосового магнита. Отсюда следует, что катушка при протекании тока в ней должна вести себя, как полосовой магнит. Если ее свободно подвесить за средний виток, то она повернется в пространстве, указывая своими торцами на север и юг, обнаруживая тем самым, что она, подобно магниту, имеет полюса. И она так же взаимодействует с другими катушками или магнитами, как это делают магниты, то есть по закону:

РАЗНОИМЕННЫЕ ПОЛЮСА ПРИТЯГИВАЮТСЯ,

ОДНОИМЕННЫЕ – ОТТАЛКИВАЮТСЯ.

Т орец катушки, из которого силовые линии выходят, являет собою с е в е р н ы й полюс катушки, другая сторона – ю ж н ы й. И поскольку правило буравчика (во второй формулировке) позволяет определить направление магнитного потока сквозь катушку, можно сказать, что этим правилом определяют полюса катушки.

Однако есть еще более простое правило для определения полюсов катушек и электромагнитов. Это ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ ДЛЯ КАТУШЕК (рис.6).

Рис.6

Мы добавили слова «для катушек», чтобы вы не смешивали это правило с другим правилом правой руки, с которым вы познакомитесь при изучении электромагнитной индукции.

Правило правой руки для катушек гласит:

Правую руку нужно положить на катушку пальцами по направлению тока в витках, тогда большой палец укажет северный полюс катушки.

УПРАЖНЕНИЯ (проверьте себя):

1. Один учащийся, глядя на рис.6, предложил еще одно «правило» для определения полюсов катушки: та сторона, где ток входит в катушку, - южный полюс, где выходит, - северный. Докажите, что это неверно.

В ИТОК С ТОКОМ ВМЕСТО МАГНИТНОЙ СТРЕЛКОЙ. Много витков или один виток – разница только количественная. Поэтому, возвращаясь к рисунку 3б, можно утверждать, что и один виток кругового тока имеет полюса. У прямолинейного проводника с током, окруженного магнитным полем, еще нет никаких полюсов. Но как только вы свернете проводник в кольцо, появляются полюса. Виток можно сделать очень малым и легким в виде рамки.

Рис.7

Такую рамку можно подвесить на тонких и гибких проводниках и пользоваться ею вместо магнитной стрелки, например, для изучения (зондирования) магнитного поля (рис.7).

В ОТ ОТКУДА ГИПОТЕЗА АМПЕРА. Сходство магнитных полей катушки и полосового магнита подсказало нам, что катушка с током подобна магниту. Но подсказка может быть и обратной: не циркулирует ли в магните круговые токи, как в катушке? Это предположение лежало в основе гипотезы Ампера. А теперь это уже давно установлено и научно доказано. Что же это за токи? Это движение, вращение электронов в атомах вещества.

Самое элементарное представление о намагниченности дает рисунок 8. В ненамагниченном стержне (рис.8а) атомные токи имеют беспорядочное направление. Поэтому их итоговое поле равно нулю.

Рис.8 А в намагниченном стержне (рис.8б) атомные токи имеют согласованное направление, и их магнитные поля, складываясь, дают в итоге большое магнитное поле магнита. То есть, необходимо знать, что магнитное поле магнитов обусловлено внутренними токами в веществе, которые называются, как уже отмечалось, микротоками.

Итак,

Магнитное поле катушки образуется м а к р о т о к о м,

а магнитное поле магнита – м и к р о т о к а м и.

2.4. Электромагнит (рис.3г)

На рис.3д видно, что в катушку, обтекаемую током, вставлен сердечник. Если это сердечник из ферромагнитного материала (железо, кобальт, никель, особые сплавы – ферриты, магнитодиэлектрики), то магнитное поле усиливается в тысячи раз. Внесение других материалов (например, дерева, пластмассы, меди, алюминия и т.д.) практически не изменяет магнитного поля.

Это происходит в связи с тем, что у этих веществ магнитные поля микротоков внутри каждого атома уравновешены, так что каждый атом в магнитном отношении нейтрален. Правда, если рассматривать это явление точнее, то следует признать, что в с я к о е вещество как-то влияет на магнитное поле. Одни слегка усиливают его (их называют п а р а м а г н и т н ы м и), другие – слегка ослабляют (их называют д и а м а г н и т н ы м и).

Но это влияние настолько мало, что такие вещества нас в дальнейшем интересовать не будут. Что же касается ферромагнитных материалов, то их намагничивание можно представить с помощью рис.8: под влиянием магнитного поля катушки элементарные токи (микротоки) выстраиваются в согласованный порядок и создают сильное магнитное поле сердечника. Это поле прибавляется к магнитному полю катушки. Так что магнитное поле электромагнита создается суммарным действием макротока и микротоков. Но п р и ч и н о й возникновения этого суммарного поля все же остается
м а к р о т о к катушки.

2.5. Магнитная цепь (рис.3е, ж, з)

Подковообразный электромагнит (рис.3е) демонстрирует, что форма магнитных силовых линий подчиняется форме сердечника. Поток магнитных силовых линий (магнитный поток) поворачивается по ходу ферромагнитного сердечника. Следовательно, ферромагнетик ведет себя как хороший проводник для магнитного потока, во много раз лучше, чем воздух, это и побуждает магнитный поток поворачивать по ходу сердечника (как ток повторяет форму проводника). На рис. 3ж видно, что ферромагнитный сердечник имеет замкнутую форму. Получаем замкнутую магнитную цепь.

Напрашивается аналогия с электрической цепью. Как электрический ток циркулирует по проводам, так магнитный поток направляется по ферромагнитному сердечнику. И как провода оказывают малое сопротивление электрическому току, так ферромагнитный сердечник оказывает малое сопротивление магнитному потоку.

Однако, при разрыве электрической цепи сопротивление оказывается бесконечно большим, и ток исчезает, а разрыв ферромагнитного пути воздушным промежутком (рс.3е), т.е. увеличение сопротивления магнитному потоку не уничтожает магнитный поток, а лишь уменьшает его по сравнению с замкнутой магнитной цепью (рис.3ж).

Применяя данную аналогию, нужно всегда твердо помнить, что эта аналогия между электрическим током и магнитным потоком
ф о р м а л ь н а я, а не физическая. Между электрической цепью и магнитной разница принципиальная. Электрический ток – это поток реально существующих частиц – электронов, а магнитный поток не представляет собой движение каких-либо магнитных частиц. Таких частиц вообще не существует.

ЗАКОНЧИ ПРЕДЛОЖЕНИЕ:

Магнитный поток это лишь совокупность …………..(3), указывающих направление действия магнитных сил.

В электрической цепи происходит непрерывный расход энергии, поступаемой от источника, а постоянный магнитный поток, раз созданный, не требует для своего поддержания энергии (например, магнитный поток создаваемый постоянным магнитом).

ДЛЯ ПРОВЕРКИ по второй теме:

1. не существует; (2) двигались; (3) магнитных силовых линий

3.МАГНИТНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

КАК ПРОЯВЛЯЕТ себя магнитное поле? Какими свойствами обладает? Какие действия производит? Можно назвать три вида действия магнитного поля.

1. НАМАГНИЧИВАЮЩИЕ ДЕЙСТВИЯ магнитного поля (а значит, и тока). То есть, магнитное поле может намагничивать, перемагничивать различные ферромагнитные материалы, тела, детали.

1. МЕХАНИЧЕСКИЕ ДЕЙСТВИЯ магнитного поля (а значит, и тока). То есть, магнитное поле может притягивать, отталкивать, выталкивать, поворачивать другие токи и намагниченные тела.

1. ИНДУКЦИОННЫЕ ДЕЙСТВИЯ магнитного поля (а значит, и тока). То есть, магнитное поле может рождать электрическое поле, электродвижущую силу, электрический ток. Это свойство магнитного поля проявляется только при условии, если оно движется или изменяется, а само явление называется электромагнитной индукцией.

Мы изучим эти действия отдельно. А сейчас необходимо познакомиться с величинами, оценивающими каково магнитное поле. Из величин, характеризующих магнитное поле или имеющих отношение к оценке магнитного поля, мы познакомимся со следующими: магнитный поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля Н, магнитная проницаемость μ, намагничивающая (магнитодвижущая) сила I·ω. Еще две величины – потокосцепление ψ и индуктивность L будут даны позже.

Предварительно заметим, что так уж по историческим причинам получилось, что ни одно из этих наименование не отражает сущности, смысла той физической величины, которую обозначает. Поэтому следует вдумываться в разъяснения, раскрывающие смысл физической величины, а не искать его в наименовании.

3.1.Магнитный поток.

Обозначается – Ф, единица измерения – вебер, Вб.

Под этим термином понимается общее число магнитных силовых линий, пронизывающих данную площадь S, расположенную перпендикулярно силовым линиям (рис.9).

К онечно, это число наносится в каком-то точно принятом соответствии с результатами действий данного магнитного поля. Вот в соответствии с результатами действий и установлена единица измерения магнитного потока – «вебер», Вб (СИ), имеющий размерность (вольт·секунду).

Считается, что «вебер» – это 10⁸ магнитных силовых линий (сто миллионов). Чтобы вы смогли «почувствовать» эту единицу измерения,

Рис.9 сообщим, что магнитный поток катушек без сердечников бывает порядка десятитысячных и миллионных долей вебера.

Это зависит и от размеров, и от густоты намотки витков, и от тока катушки. При наличии сердечника обычные магнитные потоки – это сотые и тысячные доли вебера. В подъемных электромагнитах – десятые доли вебера. Как видите, вебер – мера довольно крупная. В практике применяется и другая единица магнитного потока – «максвелл» (системы СГСМ) – в сто миллионов раз меньшая, чем вебер. Очевидно, что максвеллу соответствует одна магнитная линия.

Существуют приборы для измерения магнитного потока – баллистические гальванометры, милливеберметры.

3.2.Магнитная индукция.

Обозначается – В, единица измерения – тесла, Тл.

Под этим термином понимается плотность, густота магнитного потока, т.е. величина, сообщающая, какой магнитный поток приходится на единицу пронизываемой площади. Таким образом, определяющей формулой магнитной индукции будет

B = (1)

где S – площадь, пронизываемая магнитным потоком, например, площадь витка.

Эта формула верна, если магнитное поле ОДНОРОДНОЕ, т.е. густота магнитного потока по всей пронизываемой площади одинакова. Если же оно неоднородное, то формула (1) выражает лишь среднюю магнитную индукцию поля, а для выражения магнитной индукции В ДАННОЙ ТОЧКЕ поля нужно, как подсказывает математика, взять отношение дифференциалов указанных величин

B = (1а)

В неоднородном поле магнитная индукция меняется от точки к точке.

МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ – ОСНОВНАЯ физическая величина. Именно она говорит о том, каково магнитное поле в данной точке, сильное оно или слабое. Если проанализировать величины, характеризующие электрическое поле, похожей по смыслу на магнитную индукцию В величиной окажется напряженность Е электрического поля. Как напряженность есть силовая характеристика электрического поля, так и магнитная индукция есть силовая характеристика магнитного поля.

М АГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ – ВЕКТОР. Поэтому ее можно изобразить стрелкой (рис.10), отражающей величину и направление магнитной индукции в данной точке поля. За направление вектора магнитной индукции принимается направление поля, т.е.

Рис.10 направление, указываемое северным концом магнитной стрелки. В однородном поле один вектор указывает величину и направление магнитной индукции для любой точки этого поля.

О ЕДИНИЦЕ ИЗМЕРЕНИЯ. Из формулы (1) следует, что магнитная индукция измеряется в Вб/м². Этой единице присвоено наименование «тесла». Для более предметного представления об этой единице приведем пример. Магнитная индукция магнитного поля Земли равна 4,9·10^-5 тесла, т.е. примерно пять стотысячных долей тесла. В зазоре между статором и ротором даже очень мощных электрических машин (двигателей, генераторов) магнитная индукция бывает порядка около одного тесла и доходит до двух тесла. Как достижение техники, можно отметить получение магнитных полей с магнитной индукцией 10 – 15 Тл, а в импульсе (длящемся миллионные доли секунды) было получено фантастически сильное поле – 2500 Тл.

В практике применяется и другая единица магнитной индукции – «гаусс», гс (из системы СГСМ) – в 10000 раз меньше, чем тесла.

УПРАЖНЕНИЯ (проверьте себя):

1. Какая разница между магнитной индукцией и электромагнитной индукцией?

1. Выразите в гауссах значения магнитной индукции из примеров, данных в рубрике о единице измерения.

3.3. Напряженность магнитного поля.

Обозначается – Н, единица измерения – ампер на метр, А/м.

Как и в рассмотренных уже двух магнитных величинах, наименование этой величины имеет историческое происхождение и совершенно не отражает физического смысла данной величины. Это наиболее трудная для усвоения величина, однако, с ней необходимо познакомиться, поскольку она применяется очень широко.

Начнем с того, что напряженность Н, подобно магнитной индукции В, тоже характеризует магнитное поле в каждой его точке. И тоже отражается полностью, густотой поведения силовых линий (линий напряженности). Это тоже вектор и так же направлен, как вектор магнитной индукции. Так в чем же разница между Н и В? Вот на этом и следует сейчас сосредоточиться.

Мы покажем это различие на двух примерах, и они позволят нам дать определение этой величине.

ПЕРВЫЙ ПРИМЕР. Пусть имеются две о д и н а к о в ы е кольцевые катушки (рис.11). По катушкам протекают одинаковые токи. Но в одной из них (рис.11а) сердечник из стали, а в другой (рис.11б) – из картона.

Вследствие этого магнитное поле катушки «а» в несколько тысяч раз сильнее поля катушки «б». Иначе говоря, во столько раз магнитная индукция В поля катушки со сталью больше магнитной индукции поля пустой катушки (считаем, что «пустой», потому что картон, воздух и вообще неферромагнитное вещество практически не влияют на магнитное поле).

Р ис.11

Следовательно:

Магнитная индукция оценивает результирующее магнитное поле, образованное совместным действием тока обмотки и микротоков намагнитившегося сердечника.

Под напряженностью Н магнитного поля понимается величина, оценивающая только ту долю магнитного поля, которая остается за вычетом намагниченности вещества.

НАМАГНИЧЕННОСТЬ ВЕЩЕСТВА – это еще одна магнитная величина, обозначаемая j .

Из данного выше определения следует, что определяющую формулу напряженности надо было бы написать так: Н = В – j. В оценивает магнитное поле с учетом намагниченности вещества, j оценивает только намагниченность вещества в этом поле. Вычтя ее из магнитной индукции, получаем напряженность магнитного поля в веществе.

ОДНАКО, к сожалению, вследствие особенностей системы единиц СИ, Н и j измеряются в ней в других единицах, нежели В, а именно: В – в теслах, а Н и j – в амперах на метр. Поэтому писать равенство так, как сделано выше, нельзя. Ведь надо все величины выражать в одних и тех же единицах. Принято в упомянутой формуле выражать их в амперах на метр. А для того чтобы В, выраженное в теслах, перевести в амперы на метр, следует разделить ее на μ₀ – магнитную постоянную. Тогда получим правильное написание формулы, определяющей смысл Н

H = - j (2)

Эта формула отвечает на вопрос, что такое напряженность.

МАГНИТНАЯ ПОСТОЯННАЯ μ₀ равна 1/80·10⁴ тесла·метр/ампер. Обращаем ваше внимание магнитная постоянная имеет свою размерность. Таким образом, В/ μ₀ – это та же магнитная индукция, но выраженная в амперах на метр.

Если применить формулу 2 к нашим катушкам, то в катушке со сталью напряженность будет равна

Н = В/ μ₀ - j ,

а в пустой катушке, где намагничиваться нечему и, следовательно, от магнитной индукции ничего не отнимается

Н_П = В_П/ μ₀ = 80·10⁴·В_П (3)

Понятно, что в нашем примере напряженность магнитного поля в обеих катушках о д и н а к о в а, так как магнитная индукция в катушке о сталью больше как раз на намагниченность j сердечника. Если на рис.11а вместо линий магнитной индукции изобразить линии напряженности, то их будет столько же, сколько на рис.11б.

Понятно, что для магнитного поля в пустоте Н и В означают одно и тоже, они имеют в пустоте один и тот же физический смысл. μ₀ – лишь коэффициент пересчета одних единиц в другие.

Из рассмотренного примера вы вправе сделать вывод, что в отличие от магнитной индукции, оценивающей магнитное поле суммарное (и макро и микротоков вещества), напряженность характеризует поле только макротока (намагничивающего тока) и поэтому не зависит от магнитных свойств сердечника. Однако это верно лишь для рассмотренного здесь случая – замкнутого и однородного по материалу сердечника. Если же магнитная цепь будет состоять из участков неоднородных по материалу (в том числе с зазором) то говорить так об Н будет уже неверно, что показано в следующем примере.

ВТОРОЙ ПРИМЕР. Пусть в стальном кольце будет небольшой зазор (рис.12).

На рисунке 12а показаны линии магнитной индукции. Вы знаете, что линии магнитной индукции всегда замкнуты. Поэтому в зазоре их столько же, сколько в веществе сердечника. Ферромагнитный сердечник резко увеличил магнитное поле, и оно стало сильнее по всему магнитному пути, т.е. магнитная индукция стала сильнее и в сердечнике и в зазоре. Это соответствует действительному положению вещей.

Рис.12

А на рисунке 12б показаны линии напряженности. В зазоре их проведено столько же, сколько было линий магнитной индукции, потому что в нем намагничиваться нечему, и из магнитной индукции ничего не вычитается. В веществе же сердечника линий напряженности получается гораздо меньше, чем было линий магнитной индукции, потому что из той же магнитной индукции вычитается намагниченность вещества.

Таким образом, в данном примере магнитная индукция в обоих участках, и в стали и в пустоте, о д и н а к о в а, а напряженность оказывается р а з н о й. На каждом участке получилась своя напряженность. Отсюда следует, что определять ее, как величину, характеризующую лишь поле макротока и независящую от магнитных свойств вещества, нельзя.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ на то, что линии напряженности не являются замкнутыми. Это отчетливо видно на рис.12б. Это свидетельствует об условном характере изображения магнитного поля при помощи линий напряженности. Они не отражают действительного хода магнитных силовых линий, каковыми являются всегда замкнутые линии магнитной индукции. Тогда спрашивается, для чего же введено это понятие – напряженность? Оно, как увидите дальше, оказывается совершенно необходимым при расчете магнитной цепи.

В СПЕЦИАЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЕ вы можете встретиться с тем, что магнитное поле характеризуется не магнитной индукцией, а напряженностью. Поскольку речь идет о магнитном поле в воздухе, то, очевидно, это все равно. Однако напряженность в этих книгах дается величина, измеряемая в эрстедах (единицах из системы СГСМ, большая чем А/м в 80 раз). Мы пользуемся системой СИ, и поэтому необходимо уметь пересчитывать значение напряженности в эрстедах в значение магнитной индукции в теслах. Сделать это нетрудно: в системе СГСМ μ₀ равно 1. Это значит, что магнитная индукция, измеряемая в гауссах, численно равна напряженности в эрстедах. А чтобы перевести число в гауссах в число в теслах, надо, как было показано делить на 10000.

ПРИМЕРЫ:

1. Напряженность магнитного поля Земли равна 0,49 эрстеда. Чему равна магнитная индукция этого поля в системе СИ?

В_(ГС) = Н_(Э);

В_(ТЛ) = В_(ГС)/10000 = 0,49/10000 = 4,9·10^-5 Тл

1. Напряженность магнитного поля в зазоре между статором и ротором двигателей и генераторов равна примерно 20000 эрстед. Чему равна магнитная индукция этого поля в системе СИ?

В_(ГС) = Н_(Э = 20000;

В_(ТЛ) = В_(ГС)/10000 = 20000/10000 = 2 Тл

УПРАЖНЕНИЯ (проверьте себя):

1. Почему на рисунках 11а и 11б обмотка нанесена по всему кольцу, а на рисунках 12а и 12б – только на части кольца?

1. С ердечник кольцевой катушки состоит из двух слоев (двух колец) расположенных параллельно, как показано на рисунке. Один слой из стали, другой – из меди. В каком из слоев напряженность магнитного поля больше? В каком из слоев магнитная индукция больше?

1. С ердечник кольцевой катушки состоит из двух участков, расположенных последовательно, как показано на рисунке. Один участок из стали, другой – из меди. В каком из участков напряженность магнитного поля больше? В каком из участков магнитная индукция больше?

1. Магнитная проницаемость.

Обозначается – μ_А , единица измерения – генри на метр, Гн/м.

Формула 2 Н = В/ μ₀ – j сообщает нам, на с к о л ь к о напряженность Н меньше магнитной индукции, выраженной в А/м: она меньше на величину намагниченности j сердечника.

ДРУГОЙ ПОДХОД к этому же вопросу заключается в том, чтобы показать, в о с к о л ь к о раз напряженность Н меньше магнитной индукции, выраженной в А/м. Это показывает отношение В/μ₀ к Н, которое обозначается буквой μ и называется относительной магнитной проницаемостью

(4)

Относительная магнитная проницаемость μ – безразмерная величина – просто число, сообщающее, во сколько раз в данной среде магнитная индукция (пересчитанная в А/м) больше напряженности. Очевидно, что это число характеризует магнитные свойства вещества. Она позволяет связать В и Н формулами

(5)

(6)

В СИСТЕМЕ СИ ПРИНЯТО объединять произведение μ₀·μ в единое понятие, именуемое абсолютной магнитной проницаемостью, обозначаемой μ_А

μ_А = μ₀·μ (7)

Поэтому формулы 5 и 6 получают вид, в которых согласование единиц измерения обеспечено тем, что в μ_А спрятано μ₀.

(5a)

(6a)

Понятно, что абсолютная магнитная проницаемость μ_А получает размерность магнитной постоянной Тл·м/А. Эта размерность равнозначна размерности генри на метр, Гн/м, которой, как правило, и пользуются. Посмотрите, что эти размерности действительно равны, так как омсекунда называется генри.

Тл·м/А = Вб·м/м²·А = В·сек/м·А = Ом·сек/м = Гн/м

СЛЕДУЕТ ПРИЗНАТЬ, и это очень важно заметить, что новый подход к определению Н мало помогает практике. По формуле 6 Н также трудно определить, как и по формуле 2. По формуле 2 это трудно сделать, потому что неизвестно j ; она определиться, когда уже известно В и Н. По формуле 6 это тоже трудно сделать, потому что μ для данного сердечника – величина не постоянная, а ИЗМЕНЯЮЩАЯСЯ в широких пределах в зависимости и от Н и от предыдущего состояния намагниченности. Мы дали формулы для уяснения различия между В и Н, а взаимозависимость В и Н для разных ферромагнитных сердечников в практике находят испытанием, построением соответствующей кривой зависимости.

1. Намагничивающая сила.

Обозначается – I·ω , единица измерения – ампер, А.

Эта величина имеет еще ряд названий: ампер-витки, полный ток, магнитодвижущая сила. И все это – одна и та же физическая величина, хотя каждое наименование имеет свое смысловое содержание. В отношении слова «сила» вы, безусловно, сами понимаете, что здесь оно никакого отношения к физическому пониманию «сила» не имеет. Однако для неискушенных оно может представить опасность, потому что эту величину часто обозначают буквой F, что совпадает с обозначением физической силы.

Т ак что же это за новая физическая величина? Да это же просто ток, электрический ток, протекающий по проводникам, виткам катушки, обмоткам. Отсюда и единица измерения – ампер. В наименовании «намагничивающая сила» отражается то, что именно током обмоток намагничиваются сердечники (рис.13).

Рис.13

В наименовании «ампер-витки» отражено то, что в данную величину входит ток в с е х витков катушки, пронизывающих магнитную цепь, что определяется произведением тока на число витков. Этот же смысл заключен и в наименовании «полный ток».

В общем случае, полный ток – это алгебраическая сумма всех токов, пронизывающих какой-либо контур магнитного поля. Например, для рис.14 это будет

I_n = I₁ + I₂ + I₃

В наименовании «магнитодвижущая сила»

Рис.14 отражена аналогия роли тока обмотки в магнитной цепи с ролью источника в электрической цепи: ЭДС создает ток в электрической цепи, а МДС создает магнитный поток в магнитной цепи. Уже подчеркивалось, что эта аналогия не физическая, а формальная.

Вот так, одна и та же физическая величина получила четыре различных наименования. И, конечно же, вы помните, что этот ток называют
м а к р о т о к о м в отличие от микротоков вещества.

1. ЗАКОН ПОЛНОГО ТОКА.

ЗАКОНЧИ ПРЕДЛОЖЕНИЕ:

Когда магнитная цепь представляет собой замкнутый, однородный по материалу сердечник, то напряженность не зависит от ……………….. (1), и определяется только ………………………. (2).

Выясняя смысл напряженности, мы узнали, что когда магнитная цепь представляет собой замкнутый, однородный по материалу сердечник, то напряженность не зависит от магнитных свойств сердечника и всецело определяется только макротоком. А если цепь разбита на разные по материалу участки, то такой простой зависимости напряженности от макротока уже нет. Однако вот что оказалось: если для каждого участка пути магнитного потока (а он обязательно замкнут, хотя бы через зазор) вычислить произведение напряженности на длину участка (Н·l) и все произведения сложить, то эта сумма (Н₁· l₁ + Н₂· l₂ +…..) в любом случае определяется только макротоком, т.е. током обмотки, ампер-витками, полным током, намагничивающей силой, магнитодвижущей силой (названия на выбор). Таким образом, можно написать

I·ω = Н₁· l₁ + Н₂· l₂ + Н₁· l₁ …. (8)

Это – простейшее написание важнейшего закона электромагнетизма – ЗАКОНА ПОЛНОГО ТОКА.

Произведение Н·l назвали магнитным напряжением (по аналогии с E·l – электрическим напряжением). Обратите внимание, то магнитное напряжение, как и МДС, измеряется в амперах. Пользуясь указанной терминологией, закон полного тока можно прочесть следующим образом:

Сумма магнитных напряжений, взятая по всем участкам замкнутого пути магнитного потока, равна полному току (магнитодвижущей силе), создавшему этот поток.

Закон полного тока позволяет выполнить расчет исходя только из величины макротоков, токов обмотки, что в любом случае не зависит от микротоков, от намагниченности.

Значение этого закона состоит прежде всего в том, что он делает возможным расчет магнитной цепи. Кроме того, в некоторых простейших случаях он позволяет очень легко найти напряженность, а значит, и магнитную индукцию.

ЗАКОНЧИ ПРЕДЛОЖЕНИЕ:

Напряженность и магнитная индукция для неферромагнитной среды означают ……………….. (3) только выражаются в разных ……………. (4).

Приведем два важнейших примера.

4.1. Напряженность на оси кольцевой катушки.

Мы можем теперь найти напряженность в известной нам кольцевой катушке при условии, если в ней сердечника либо вовсе нет, либо он однороден по всему замкнутому пути (рис.11).

Поскольку в любом из этих случаев магнитная цепь состоит из одного участка, закон полного тока для них будет иметь следующий вид

I · ω = Н · l

Следовательно, напряженность на оси такой катушки будет определяться по формуле:

(9)

Из этой формулы видно, почему напряженность измеряется в амперах на метр. Понятно, что в рассматриваемом примере измерение напряженности можно осуществляться при помощи амперметра.

НАПРИМЕР. В кольцевой катушке из 300 витков длиной по средней линии 30 см установили реостатом по амперметру ток 0,5 ампера. Определить напряженность магнитного поля в катушке при таком токе.

Н = I · ω / l = 0,5 ·300 / 0,3 = 500 (А/м)

Для пустой катушки полученная напряженность будет одновременно означать и магнитную индукцию. Только выражать ее надо в теслах:

В_П = μ₀ · Н = μ₀ · Iω / l = (1/ 80 ·10⁴) ·( Iω / l) (9а)

Для нашего примера это составит

В_П = μ₀ · 500 = (1/ 80 ·10⁴) ·500 = 6,25 · 10 ^-4 (Тл)

Формулами (9) и (9а) можно с достаточной степенью точности пользоваться и для цилиндрических катушек (соленоидов).

ЗАКОНЧИ ПРЕДЛОЖЕНИЕ:

В катушке со сталью (смотри пример выше) напряженность……………….. (5), а магнитная индукция будет ………………………. (6).

4.2. Напряженность вокруг прямого провода.

Здесь полным током является ток провода (рис.15). Он пронизывает окружности магнитных силовых линий. Любая силовая линия замыкается здесь так же. Как в замкнутой магнитной цепи вокруг полного тока. Поэтому закон полного тока для этого примера напишется так

I = Н · l = Н·2πr

где l = 2πr - длина замкнутой магнитной силовой линии, взятой на расстоянии от провода, а Н – напряженность в любой точке на этой линии. Отсюда эта напряженность равна

(10)

Рис.15

Из формулы видно, что с удалением от провода напряженность уменьшается обратно пропорционально расстоянию.

НАПРИМЕР. Ток в проводе – 5 ампер. Определить напряженность магнитного поля на расстоянии 1 см от провода.

Н = I / 2πr = 5 / 2·3,14·0,01 = 80 (А/м) (10а)

Это как раз 1 эрстед.

Поскольку вокруг провода воздух, напряженность можно считать и магнитной индукцией. Выраженная в теслах, она равна

В_П = μ₀ · Н = μ₀ · I / 2πr = (1/ 80 ·10⁴) ·( I / 2πr )

Для нашего примера это составит

В_П = μ₀ · 80 = (1/ 80 ·10⁴) ·80 = 10 ^-4 (Тл)

ДЛЯ ПРОВЕРКИ по четвертой теме:

1. Магнитных свойств сердечника; (2) макротоком; (3) одно и то же; (4) единицах; (5) такая же, как в пустой; (6) больше магнитной индукции в пустоте в μ раз

ПОДВЕДЕМ ИТОГИ

Мы познакомились с магнитным полем, с его изображением, правилами буравчика и правой руки для определения полюсов у катушек, с основными магнитными величинами и законом полного тока. Основные формулы:

1. Магнитная индукция есть плотность магнитного потока в данной точке, Вб/м², Тл, Тл = 10 ⁴гс

B = (1) Для точек однородного поля

B = (1а) Для точек неоднородного поля

1. Напряженность характеризует долю магнитного поля, остающуюся от вычитания намагниченности вещества, А/м

H = - j (2)

В/ μ₀ – это магнитная индукция, выраженная в А/м.

1. Напряженность магнитного поля в пустоте имеет тот же смысл, что и магнитная индукция.

Н = В/ μ₀ = 80·10⁴·В (3)

μ ₀ – магнитная постоянная – коэффициент пересчета

μ ₀ = 1/ 80 ·10⁴ Гн/м.

1. 

   (4)

   
   
   

   Относительная магнитная проницаемость, отвлеченное число.

1. Формулы взаимосвязи между В и Н

(6a)

(5a)

(5)

(6)

1. Абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м

μ_А = μ₀·μ (7)

1. Закон полного тока

I·ω = Н₁· l₁ + Н₂· l₂ + Н₁· l₁ …. (8)

1. Напряженность на оси кольцевой или очень длинной цилиндрической катушки (магнитная индукция в пустой катушке), А/м

(9)

В_П = μ₀ · Iω / l (9а)

1. Напряженность (магнитная индукция) вокруг прямого провода, А/м, Тл

(10)



(10a)

Литература

1. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. М.: Высшая школа., 2000

2. Лоторейчук Е.А. Теоретические основы электротехники. М.: ИФРА-М, 2004

3. Евдокимв Ф.Е. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 2004

4. Алиев И.И. Электротехнический справочник. М.: РадиоСофт, 2001

5. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника М.: Академия, 2004

6. Кисаримов Р.А. Справочник электрика. М.: РадиоСофт, 2002

7. Лихачев В.Л. Электротехника. Справочник М.6 Солон-Пресс, 2003

8. Москаленко В.В. Справочник электромонтера. М.: ПрофОбрИздат, 2002