Какое свойство магнитной цепи является главным

Магнитные цепи

Электрический ток связан с магнитным полем. Основными величинами, характеризующими магнитное поле, являются: магнитный поток, магнитная индукция и напряженность магнитного поля.

В качестве силовой характеристики магнитного поля вводится векторная величина В, называемая индукцией магнитного поля или просто индукцией. Модуль вектора индукции магнитного поля равен отношению магнитной силы F, направленной вдоль радиуса-вектора, соединяющего точечные заряды, к произведению заряда Q на его скорость v при условии, что заряд движется перпендикулярно вектору индукции:

Единицу индукции магнитного поля называют тесла (Тл): 1 Тл — это индукция поля, которое действует на заряд 1 Кл, движущийся со скоростью 1 м/с перпендикулярно вектору индукции, с поперечной силой 1 Н.

Напряженностью Н магнитного поля называют величину:

Единицей напряженности магнитного поля служит ампер на метр (А/м).

Другой важной характеристикой магнитного поля является величина, называемая магнитным потоком:

Единицу магнитного потока называют вебер (Вб): 1 Вб — магнитный поток, пронизывающий поверхность площадью 1 метр кв., расположенную перпендикулярно силовым линиям однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл.

Напряженность магнитного поля связана с магнитной индукцией соотношением

Магнитная проницаемость вещества

Относительная магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость в вакууме

Магнитная проницаемость — безразмерная величина. Таким образом, каждое данное вещество может характеризоваться присущей ему магнитной проницаемостью, так же как диэлектрик — диэлектрической проницаемостью.

Все тела, помещаемые в магнитное поле, изменяют его индукцию.

В 50-х годах прошлого столетия Фарадей обнаружил, что все тела обладают магнитными свойствами, но степень и характер их взаимодействия с полем у различных веществ различны. В связи с этим различают вещества с парамагнитными, диамагнитными и ферромагнитными свойствами.

• диамагнетики (висмут, вода, водород, медь, стекло);
• парамагнетики (кислород, платина, вольфрам, алюминий);
• ферромагнетики (железо, кобальт, чугун, никель).

У диамагнетиков, как и у парамагнетиков, зависимость В(Н) (кривая намагничивания) является линейной, отличие только в угле наклона графика.

Кривая намагничивания показывает связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля. У ферромагнетиков эта связь существенно нелинейная.

Индукция поля в намагниченном ферромагнетике сначала быстро нарастает с ростом напряженности внешнего магнитного поля. Затем рост индукции поля замедляется.

В стали потери на перемагничивание пропорциональны площади, ограниченной кривой намагничивания. Материалы с большой площадью кривой намагничивания называются магнитотвердыми, с малой площадью кривой намагничивания — магнитомягкими, например, электротехническая сталь.

Важное отличие ферромагнетиков также заключается в том, что если пара- или диамагнитные свойства вещества проявляются у газов и жидкостей, то ферромагнитные свойства наблюдают только у кристаллов.

Характерным свойством ферромагнетиков является гистерезис. Явление заключается в том, что индукция ферромагнетика В зависит не только от напряженности намагничивающего поля в данный момент, но и от предварительного намагничивания образца. Поэтому вообще нельзя указать, какая индукция ферромагнетика соответствует данному значению напряженности намагничивающего поля, если неизвестно, в каком состоянии он до этого находился. То же, естественно, относится к значениям магнитной проницаемости.

Участок ОС кривой на графике характеризует ход первоначальной намагниченности, т. е. случая, когда ферромагнетик был сначала нагрет выше точки Кюри и тем самым полностью размагничен, а затем охлажден и подвергнут намагничиванию. Совершенно иной вид будет иметь кривая намагничения, если ферромагнетик был уже ранее намагничен.

Изготовим сердечник в форме тороида из размагниченного ферромагнетика и обмотаем его равномерно проводником. Меняя силу тока в обмотке, мы тем самым меняем напряженность намагничивающего поля. Пусть напряженность поля возрастет до значения Hs. Этому значению поля соответствует индукция насыщения, равная Bs. Будем уменьшать силу тока в обмотке, уменьшая тем самым напряженность намагничивающего поля. Мы убедимся, что индукция сердечника в процессе размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания.

Когда сила тока в обмотке станет равной нулю, исчезнет и намагничивающее поле. Но индукция ферромагнетика не обратится в нуль — сердечник сохранит некоторую остаточную индукцию Вr. И только в том случае, когда по обмотке будет пропущен ток обратного направления и возникнет поле с напряженностью — Нc, индукция сердечника обратится в нуль. Напряженность размагничивающего поля Нc называют коэрцитивной силой.

Если увеличивать в обмотке силу тока обратного направления, то индукция магнитного поля в сердечнике будет возрастать тоже в противоположном направлении до насыщения. Далее, при уменьшении силы тока процесс размагничивания повторится. Кривую, описывающую этот процесс, называют петлей гистерезиса.

Магнитной цепью называется часть электротехнического устройства, предназначенная для создания в его рабочем объеме магнитного поля заданной величины и конфигурации.

Магнитная цепь электрических реле, трансформаторов, электрических машин состоит из источников, возбуждающих магнитное поле, и магнитопровода, в котором магнитный поток концентрируется и практически весь замыкается.

При расчете магнитной цепи может быть поставлена задача определения намагничивающей силы (н.с.) при заданном магнитном потоке или индукции — это прямая задача. Обратная задача — определить магнитный поток по намагничивающей силе.

В обеих задачах должны быть известны размеры участков магнитной цепи и кривая намагничивания материала.

Расчет магнитной цепи производится на основании первого закона Кирхгофа, по которому алгебраическая сумма магнитных потоков в узле магнитной цепи равна 0:

и второго закона Кирхгофа для магнитной цепи или закона полного тока

Циркуляция вектора напряженности магнитного поля Н по замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром.

Если контур интегрирования охватывает W витков, то

— намагничивающая сила или магнитодвижущая сила (МДС), измеряется в ампер-витках (ав).

Закон Ома для участка магнитной цепи длиной и площадью S. При напряжении между концами участка связь между напряженностью магнитного поля Н и индукцией В выражается формулой:

В этом выражении Ф аналогичен току электрической цепи, а магнитное напряжение — электрическому напряжению.

Тогда магнитное сопротивление

Магнитное сопротивление определяется воздушным зазором. При наличии воздушного зазора для создания соответствующей индукции требуется большой ток. При отсутствии воздушного зазора для создания соответствующей индукции требуется небольшой ток.

Нелинейность кривой намагничивания обусловливает нелинейность индуктивного сопротивления катушки на магнитном сердечнике.

Катушки индуктивности на ферромагнитном магнитопроводе считаются нелинейными элементами как в цепи постоянного тока, так и при синусоидальном напряжении.

Феррорезонанс

Для электрических цепей с нелинейным индуктивным и линейным емкостным сопротивлениями характерны явления феррорезонанса. При последовательном соединении различают феррорезонанс напряжений, а при параллельном — феррорезонанс токов.

Вольт-амперные характеристики электрической цепи при последовательном (a) и параллельном (б) соединениях

Скачкообразное изменение величины тока и его фазы при последовательном включении рассматриваемых элементов и скачкообразное изменение величины напряжения при параллельном включении являются одной из особенностей таких цепей. Релейные свойства феррорезонансных цепей используются в устройствах автоматики.

Схема последовательного соединения может быть использована в качестве стабилизатора напряжения.

Для изменения индуктивного сопротивления катушки с ферромагнитным сердечником используют подмагничивание сердечника дополнительной катушкой, питаемой постоянным током. В этом случае она называется дросселем насыщения и используется для регулирования скорости вращения двигателей, регулирования освещения, а также в выпрямительных установках с регулируемым напряжением.

Дополнительно по теме

• Основные понятия и законы магнитных цепей
• Ферромагнитные материалы и их характеристики
• Анализ и синтез неразветвленных магнитных цепей
• Примеры магнитных цепей электрических машин
• Расчет разветвленных магнитных цепей
• Расчет магнитной цепи с постоянным магнитом

Ток или поток? Магнитные цепи и их основные характеристики

Привет, Хабр! С недавнего времени я стал задумываться об актуальности статей и заметил, что на Хабре нет ни одной обзорной статьи про магнитные цепи. Как так!? Ведь это. а что это такое?

Действительно, наверняка даже самые отстраненные от инженерного дела люди имеют представление о том, что такое электрические цепи, но возможно, что про магнитные цепи не слышали вовсе. Каждый школьник когда-то в учебнике физики наблюдал разные схемы и формулы, описывающие законы Ома. Но магнитные цепи в рамки школьного курса не входят.

Я решил написать данную статью, чтобы показать, насколько удивителен мир физики и заинтересовать школьников в её изучении. В данной статье, однозначно, для полноты вещей будут и выводы формул и использование некоторых математических операций, которые могут быть известны не всем, но такие моменты я постараюсь сгладить. Приступим.

Что нужно вспомнить?

Для более четкого представления сей статьи, неплохо бы вспомнить основные характеристики самого магнитного поля: вектор магнитной индукции, вектор напряженности, поток вектора магнитной индукции — а также нужно вспомнить немного про магнитные вещества, а именно про ферромагнетики.

Полагается, что вам известен обобщенный закон Ома и помнится, что такое ток, напряжение и сопротивление. Если нет, то крайне советую обратиться к сторонним ресурсам, чтобы иметь хотя бы общее представление о том, что последует далее. Крайне советую учебник И.Е. Иродова «Электромагнетизм».

Применение магнитных цепей

Магнитные цепи находят очень большое поле применения, а именно, они используются для надежного пропускания магнитного потока по специальному проводнику с минимальными или, в некоторых случаях, определенными потерями. В электротехнической промышленности широко используется взаимная зависимость магнитной и электрической энергий, переход из одного состояния в другое. На подобном принципе работают, например, трансформаторы, разные электродвигатели, генераторы и другие устройства.

Конечно, можно продолжительное время говорить об устройствах, разных типах магнитопроводов (про которые речь пойдет далее), но наша первичная цель — рассмотреть выводы основных характеристик магнитных цепей. Продолжаем!

Как устроены магнитные цепи?

Магнитную цепь, на самом деле, не так сложно представить, как может показаться человеку, который о них впервые слышит. Обычно магнитные цепи представляют из себя некоторые фигуры из ферромагнитного сердечника с источником или несколькими источниками ПОтока. Пожалуй, один из самых простых примеров с одним источником, который можно взять на вооружение, проиллюстрирован ниже:

Перед продолжением обусловимся, что среди электротехников сердечник называют магнитопроводом. Часть магнитопровода, на которой отсутствуют обмотки и которая служит для замыкания магнитной цепи, называется «ярмо».

Начнем с тороидального сердечника. Такой тороидальный сердечник может служить формой для катушки, как бы странно это не звучало. Но что за катушка? Ну, первое что приходит в голову — провод, образующий витки. Хорошо, но какого его предназначение? Вернемся к электрическим цепям и вспомним, что существуют источники тока / напряжения, так называемые активные элементы. Так вот, в магнитных цепях роль источника выполняют катушки с током, накрученные на основной элемент магнитной цепи — ферромагнитный магнитопровод.

Вспомним теперь про ферромагнитные материалы. Почему именно они? Дело в том, что благодаря высокому значению магнитной проницаемости, что сигнализирует о хорошей намагниченности ферромагнетика, силовые линии магнитного поля практически не выходят за пределы сердечника, либо не выходят вовсе. Однако это будет справедливо лишь тогда, когда наш сердечник замкнутый, либо имеет небольшие зазоры. То есть, ферромагнетики обладают сильно выраженными магнитными свойствами, когда как у парамагнетиков и диамагнетиков они значительно слабее, что можно наблюдать на следующем графике зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля:

Вещества, которые входят в конструкцию магнитопровода, могут обладать не только сильномагнитными свойствами, но также и слабомагнитными. Однако мы рассматриваем сердечник из ферромагнитного материала.

Ещё из школьного курса мы представляем себе картину с линиями магнитной индукции соленоида, мы можем визуально представить его поле и понимаем, что концентрация силовых линий, их насыщенность, наибольшая в центре рассматриваемого соленоида. Тут очень важно вспомнить правило буравчика, чтобы правильно указать направление силовых линий.

Отсюда становится ясно, что катушки-источники порождают магнитное поле, а следовательно и поток линий магнитной индукции. Такие линии будут циркулировать по нашему сердечнику, словно повторяя его форму. Именно поэтому нам важно условие замкнутости сердечника и материал, из которого он сделан. Положим, что наш воображаемый сердечник замкнут. Из этого следует, что и силовые линии замкнуты, а следовательно выполняется теорема Гаусса для магнитного поля, которая гласит: поток линий магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю. Стоит учесть, что поток адаптируется под площадь сечения.*

Ну и в конечном счете ферромагнитный сердечник поток куда-то передает! Аналогичным образом замкнутый проводник позволяет передать электрический ток.

Отлично! Мы разобрались с тем, что такое магнитные цепи и даже вспомнили про теорему Гаусса и ферромагнетики. Теперь поговорим о том, какие следствия вытекают из теоремы Гаусса и возможности пренебрежения полем вне сердечника и в зазорах.

1] Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ через произвольные сечения будут равны между собой.

2] В узле (разветвлении) сердечника алгебраическая сумма потоков (с учетом их направлений) будет равна нулю. Мне одному это что-то напоминает?

То есть мы окончательно сформулировали, что замкнутая (или почти замкнутая) система из ферромагнитных сердечников может рассматриваться как проводящая цепь. В нашем случае — магнитная.

Расчет магнитных цепей

Теперь внимание. Мы можем провести прямую аналогию и рассматривать магнитный поток в цепи, как характеристику электрической цепи — силу тока. Рассмотренное второе следствие означает, что для магнитной цепи, также как и для электрической, справедливо первое правило Кирхгофа. Отсюда можно лаконично перейти к закону полного тока, который в рамках классического магнетизма будет выглядеть следующим образом (приготовьтесь, немного математики):

Криволинейный интеграл по замкнутому контуру от напряженности магнитного поля будет равен алгебраической сумме токов, сцепленных (окруженных) данным контуром.

Также мы помним, что напряженность магнитного поля связана с магнитным потоком следующим образом:

Руководствуясь приведенным законом полного тока и определением напряженности через магнитный поток, мы можем переписать закон полного тока относительно магнитного потока.

Откуда в уравнении появился и что символизирует аргумент l? Все просто. Так как мы рассматриваем контур L, то логично предположить, что на разных его участках наши показатели могут принимать разные значения: площадь сечения может изменяться, как и магнитная проницаемость или магнитный поток.

Полученное уравнение можно рассматривать как второй закон Кирхгофа, который, напомню, звучит следующим образом:

В любой момент времени алгебраическая сумма напряжений на ветвях контура равна нулю.

Для полной ясности, проведем аналогию между электрическими и магнитными цепями, а также их величинами.

Именно проведя аналогичное представление для электрической цепи, мы можем рассчитывать магнитные цепи. Для того, чтобы это сделать, следует:

• Мысленно разбить сердечник на отдельные однородные участки (непрерывные, с постоянным сечением) без разветвлений и определить их магнитные сопротивления;
• Построить эквивалентную электрическую цепь, последовательно заменяя участки магнитной цепи участками электрической с электрическими сопротивлениями, а также заменяя индуктивности (катушки) на источники ЭДС;
• После обозначения заданных сопротивлений и ЭДС, можем вычислить в общем токи в элементах электрической цепи;
• Произвести замену полученных величин согласно таблице (токи в потоки, ЭДС в МДС [Магнитодвижущую силу / Ампер-витки], а электрическое сопротивление в магнитное сопротивление).

Именно таким образом, мы можем рассчитать характеристики магнитной цепи. Полученные результаты позволяют, например, вычислить индуктивности.

А примеры расчетов будут?

Здесь — нет. А по ссылке — да! В данном документе Самарского государственного технического университета рассмотрены базовые примеры, которые позволят лучше разобраться в теме, если она вас заинтересовала. Помимо всего прочего, там же приведены теоретические справки. Советую прочитать в надежде, что вы сможете для себя что-то новое подчерпнуть.

Заключение

Во-первых, спасибо, что дочитали статью! Один из способов поддержать меня как автора — подписаться на мой паблик Вконтакте, где иногда выходят «локальные статьи».

Во-вторых, вернемся к началу статьи. Там я задался целью показать, почему физика удивительна. Не хочу быть многословным, поэтому просто попрошу вспомнить все то, что было описано выше. Мы оперировали моделями, которые относятся к разделу физики электричества и перенесли их на физику магнетизма. Наверняка, вы замечали, насколько часто встречаются элементы механики в иных разделах. Это по истине удивительно! Однако главное не поработиться иллюзией, что в мире все законы нам предельно известны.

• Математика
• Научно-популярное
• Физика
• Электроника для начинающих
• Инженерные системы

Тема 3. Магнитные цепи. Магнитные свойства вещества.

Работа современных электротехнических устройств (трансформаторов, электрических двигателей и генераторов и др.) основана на использовании явлений электромеханического и индукционного действия магнитного поля.

Электромеханическое, или силовое, действие магнитного поля заключается в том, что помещённые в поле проводники с током или ферромагнитное тело испытывают действие силы со стороны этого поля. На силовом действии магнитного поля основана работа электрических двигателей, электромагнитных тяговых устройств, магнитных муфт, реле, измерительных приборов.

Индукционное действие магнитного поля состоит в том, что при перемещении проводника в постоянном магнитном поле в нём наводится электродвижущая сила. Если магнитном поле переменное, то даже в неподвижном проводнике наводится ЭДС. На индукционном действии магнитного поля основана работа электрогенераторов, трансформаторов, электроизмерительных приборов.

Чтобы использовать электромеханическое и индукционное действия магнитного поля, необходимо создать магнитную цепь, которая должна обеспечить необходимую величину и конфигурацию магнитного поля в рабочем объёме электромагнитного устройства.

Магнитная цепь состоит из элементов, возбуждающих магнитное поле (катушки и обмотки с током, или постоянные магниты), и магнитопровода. Магнитопровод содержит ряд тел и сред, образующих замкнутые пути для основной части магнитных линий созданного поля.

Примеры магнитных цепей.

Магнитные цепи по своему устройству и назначению подразделяются на группы:

По числу элементов возбуждения поля: одноэлементные, многоэлементные.

По конструкции: неразветвлённые, разветвлённые

По роду тока: постоянного тока, переменного тока.

Основные физические величины, с помощью которых могут быть описаны процессы в магнитных цепях:

1. Магнитная индукция В является основной характеристикой магнитного поля. Вектор магнитной индукции В определяют по силе F, которая действует на заряд Q, движущийся в магнитном поле со скоростью V:

где, В измеряется в Теслах (Тл)

1. Магнитный поток Ф есть поток вектора магнитной индукции В через площадку S. При однородном магнитном поле (В = const) и перпендикулярном направления линии поля к площадке

где, Ф измеряется в Веберах (Вб)

1. Намагниченность М есть магнитный момент единицы объёма вещества.

M = lim m/V

где, m — вектор магнитного момента элементарного контура тока, вещества , помещённого в магнитное поле. Измеряется в (А/м) амперах/метр.

1. Напряжённость магнитного поля Н определяется по закону полного тока

где, w — число витков катушки ;

l_ср -средняя длина магнитопровода;

wI — магнитодвижущая сила катушки  ( = wI = Н l_ср)

1. Магнитная постоянная ₀ = 410 -7 Гн/м.

Величины В,М и Н связаны друг с другом зависимостью:

где, В_I = ₀H — индукция созданная током катушки;

B_M = ₀ М — магнитная индукция намагниченного тела.

_r — относительная магнитная проницаемость, являющаяся функцией Н, поэтому зависимость между В и Н нелинейная.

Магнитные свойства вещества.

Все вещества с точки зрения воздействия на них магнитного поля делятся на:

Парамагнетики _r > 1

Примечание: магнитная восприимчивость χ характеризует способность вещества намагничиваться во внешнем магнитном поле М= χ H ; χ=1 + _r

Феррамагнетики _r >> 1

Парамагнетики вещества обладающие положительной магнитной восприимчивостью (порядка χ = 10 -3 — 10 -6 ). К парамагнетикам относятся щелочные и щелочноземельные металлы Na, K, Ca и соли Fe, Co, Ni и др.

Диамагнетики вещества обладающие отрицательной магнитной восприимчивостью (порядка χ = 10 -6 — 10 -3 ). К ним относятся некоторые металлы Cu, Bi, Ag, Au, Pb, инертные газы и др.

Феррамагнетики вещества обладающие ферромагнитными свойствами. Феррамагнетизм это магнитоупорядоченное состояние микроскопических объёмов вещества, в котором магнитные моменты атомов (ионов) параллельны и одинаково ориентированны. Эти объёмы — домены — обладают магнитным моментом М_s (самопроизвольной намагниченностью) даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля. Для них характерна нелинейность кривой намагничивания во внешнем магнитном поле. К ферромагнетикам относятся Fe, Co, Ni, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, их сплавы и соединения а также ферриты.

Характеристики ферромагнитных материалов

в стационарных магнитных полях.

Свойства ферромагнитных материалов, находящихся под воздействием постоянного (стационарного) поля, принято описывать зависимостью магнитной индукции В от напряжённости магнитного поля Н. Эта зависимость устанавливается опытным путём с помощью специальных кольцевых образцов.

Е сли материал образца предварительно размагнитить, а затем медленно увеличивать ток в обмотке, подключенной к источнику постоянного напряжения, то напряженность магнитного поля Н и магнитная индукция В будут возрастать от нулевых значений по кривой, называемой кривой первоначального намагничивания

Отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н называют абсолютной магнитной проницаемостью _а=В/Н. Она равна произведению относительной магнитной проницаемости и магнитной постоянной _a=_r ₀ и имеет нелинейную зависимость от Н

Из курса физики известно, что намагничивание ферромагнитных материалов сопровождается явлением гистерезиса, т.е. отставанием изменения индукции В от изменения напряженности поля Н.

Петеля магнитного гистерезиса

Если при намагничивании материал был доведен до насыщения, то полученная петля называется предельной. Она характеризуется тем, что при дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля форма петли не изменяется. Две точки предельной петли — остаточная индукция В₀ и коэрцитивная сила Н_с — являются паспортными характеристиками материала.

В электротехнических устройствах применяют различные ферромагнитные материалы, которые делятся на две группы: магнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкие материалы, обладающие свойством легко перемагничиваться, используются для изготовления магнитопроводов, а магнитотвердые материалы, обладающие свойством задерживать остаточную намагниченность,-для изготовления постоянных магнитов.

К магнитомягким материалам относятся материалы с узкой петлей гистерезиса (Н_с менее 4 кА/м), важнейшими из них являются: технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь), листовая электротехническая сталь (железокремнистая сталь), железоникелевые сплавы (пермаллои) и магнитомягкие ферриты.

К магнитотвердым материалам относятся магнитотвердые сплавы, получаемые на основе сплавов железа, никеля, алюминия, кобальта (литые и металлокерамические магниты) и магнитотвердые ферриты.

АНАЛИЗ И РАСЧЕТ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ

С точки зрения основных законов электротехники (закон Ома, законы Кирхгофа) магнитные цепи аналогичны электрическим цепям. Сравним их основные величины.

МДС – магнитодвижущая сила. A

ЭДС – электродвижущая сила

магнитное напряжение (А)

Электрическое напряжение (В)

1-й закон Кирхгофа

1-й закон Кирхгофа

2-й закон Кирхгофа

2-й закон Кирхгофа

Для однородной магнитной цепи

Для магнитной цепи с

Найдем выражение для магнитных сопротивлений ферромагнитного материала и воздушного зазора.

Для воздушного зазора, где нет ферромагнитного материала:

Вся сложность расчета магнитных цепей заключается в том, что магнитное сопротивление ферромагнитного участка цепи является нелинейной величиной и зависит от материала и внешнего магнитного поля.

Для расчета магнитных цепей используют вебер-амперные – Ф(I) – характеристики, или кривые намагничивания – B(H), которые приводятся в справочниках для ферромагнитных материалов.

Рассмотрим пример расчета неоднородной магнитной цепи (рис.2), схема замещения приведена на рис. 4.

Необходимо найти магнитный поток Ф при заданной МДС — .

Наиболее простой метод решения задачи – графический.

1. Построить график зависимости Ф(I) (берется в справочнике).
2. З ависимость магнитного потока в воздушном зазоре линейная (смотри ).

Следовательно, для построения зависимости Ф(WI — U_Mв) достаточно определить значение магнитного потока в точках “a” и “b”. Точка “a” определяется из условий короткого замыкания R_Mфм и все магнитное напряжение равное WI приложено к воздушному зазору, т.е. к R_Mв тогда , где Точка “b” определяется из условия холостого хода магнитной цепи, т.е. цепь якобы разомкнута, в этом случае Ф = 0, а U_M=WI.

3. Точка пересечения двух графиков “с” на рис. 5 является общей для двух указанных выше зависимостей и дает возможность определить значение магнитного потока Ф при заданном значении U_M =  = WI. Возможно решение и обратной задачи по заданному Ф найти требуемое WI.

Особенности электромагнитных процессов в магнитных цепях переменного тока

Е сли к катушке охватывающей магнитопровод подключить источник переменного напряжения то в нем возникнет переменный магнитный поток Ф(t), который практически весь сосредоточен в самом магнитопроводе и потоком рассеяния можно пренебречь. В результате действия магнитного поткаФ(t) в катушке

которая уравновешивает внешнее напряжение u и ограничивает ток I(t) до величины необходимой для создания Ф(t) (эффект саморегулирования). Индуктивное сопротивление катушки магнитопровода X_K=L непостоянно и зависит от тока в цепи катушки. L=/I =L(i)= var., это подтверждается следующими уравнениями:(t)=wФ(t)=wSB(t), i(t)=H(t)l/w, т.е. потокосцепление пропорционально магнитной индукции В(t), а ток – напряженности магнитного поля H(t), которые связаны между собой сложной параметрической зависимостью. Она отображается экспериментальной кривой намагничивания. Изменение магнитного поля вызывает нагрев магнитопровода из-за гистерезиса и вихревых токов. Следовательно в магнитопроводе возникают потери электроэнергии, которые называются магнитными потерями. При циклическом перемагничивании материала магнитная индукция отстает по фазе от напряженности магнитного поля. Эта зависимость отображается петлей гистерезиса. Площадь петли гистерезиса характеризует потери энергии W_м в единице объема ферромагнитного материала за период изменения напряженности магнитного поля в нем. Мощность потерь в магнитопроводе пропорционально величине W_м , частоте перемагничивания f и объему ферромагнитного материала V_м :

Магнитные потери складываются из двух составляющих: потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов (токи Фуко), которые, согласно закону Ленца, стремятся затормозить изменение потока и магнитной индукции в магнитопроводе, т. е. расширяют петлю гистерезиса с ростом частоты перемагничивания. Косвенной характеристикой потерь от гистерезиса является коэрцитивная сила Н_с . Например для электротехнической стали Н_с 3·10 -3 А/м, а для пермаллоев Н_с 0,1·10 -3 А/м. Для борьбы с вихревыми токами стремятся уменьшить электропроводность материала сердечника и изготовить его из тонколистового материала, толщиной 0,05 –0,5 мм.

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Устройство, принцип действия и назначение трансформаторов

план-конспек открытого урока «Расчет неразветвленной магнитной цепи»
план-конспект урока

Формы организации познавательной деятельности обучающихся : фронтальная, индивидуальная, групповая.

Образовательная — приобрести навыки расчёта магнитных цепей. Уметь проводить аналогию с электрическими цепями, применять основные законы, лежащие в основе расчёта магнитных цепей.

Воспитательная — воспитать аккуратность, дисциплинированность, бережное отношение к окружающему, личность инженерного склада ума и культуры поведения.

Развивающая — развивать умения применять знания на практике, развивать логическое мышление обучающихся, коммуникативные способности, умение критически осмысливать информацию, выражать свою точку зрения.

Оборудование к уроку :

— учебно-методическое – инструкционная карта к практическому занятию, таблица характеристик магнитных материалов, учебники:

Синдеев Ю.Г. Электротехника с основами электроники: учебное по-собие / Ю.Г.Синдеев. – Изд. 11-е, доп. и перераб. – Ростов н/Д: Фе-никс, 2009. – 407 с.

Межпредметные связи : Физика, материаловедение, электрические машины и аппараты.

Внутрипредметные связи : электрические цепи.

Структура, содержание занятия

Этапы урока(длит. в мин)

Действия участников урока:

Приветствие, проверка присутствующих.

Подготовка к уроку.

Актуализация опорных знаний.

Включает различные формы и методы контроля знаний студентов, задания по коррекции, проверка домашнего задания, а также подведение итогов

Отвечают на вопросы преподавателя. Вспоминают ранее изученный материал.

1. проверка готовности к проведению ПЗ

2. ознакомление с объемами работ

3. показ наиболее сложных приемов

1. указать содержание заданий

2. текущий инструктаж

3. контроль за ходом занятия

4. индивидуальные консультации

Внимательно прочитали и записали название работы и ее цель;

познакомились с теоретической частью работы;

изучили этапы выполнения работы и их последовательность;

1.прием выполненных работ

2.проверка умений и навыков

3. анализ и оценка работ

Убеждаются в достижении цели урока, анализируют результаты своей деятельности, оценивают свою работу.

1. Какой цели достигли?

2. Чему научились на этой практической работе?

Рефлексия (этап подведения итогов).

Реализую рефлексивный тест:

1) Я узнал много нового.

2) Мне это пригодится в жизни.

3) На уроке было над чем подумать.

4) На все возникшие у меня вопросы я получил ответы.

5) На уроке я поработал добросовестно.

В случае согласия с утверждением поднимите руки.

Отвечают на поставленные вопросы.Оценочный лист учебного занятия (см. приложение 2).

1. Повторить тему «Магнитные цепи на постоянном токе».

2. Придумать возможные варианты применения электромагнита.

3. Оформить отчет.

4. Подготовиться к защите практической работы.

Записывают домашнее задание.

Актуализация опорных знаний.

– Вначале урока немного истории. Послушайте легенду.

Много веков назад это было. В поисках овцы пастух зашел в незнакомые места, в горы. Кругом лежали черные камни. Он с изумлением заметил, что его палку с железным наконечником камни притягивают к себе, словно ее хватает и держит какая-то невидимая рука.

Пораженный чудесной силой камней пастух принес их в ближайший город – Магнесу. Здесь каждый мог убедиться в том, что рассказ пастуха не выдумка – удивительные камни притягивали к себе железные вещи! Более того, стоило потереть таким камнем лезвие ножа, и тот сам начинал притягивать железные предметы: гвозди, наконечники стрел. Будто из камня, принесенного с гор, в них перетекала какая-то сила, разумеется, таинственная.

– Кто догадался, о каком камне идет речь в предании?

– Правильно, о магните.

Свойства магнитов часто кажутся чуть ли не волшебством.

Опыт (создание проблемной ситуации)

Насыпьте в миску манку и закопайте в нее скрепки. Как можно быстро их собрать? В ответ можно предложить несколько вариантов: на ощупь, просеять или воспользоваться только что определенным нами свойством магнита притягивать все железное.

В миску налейте сантиметра на два воды. И бросьте в нее скрепку. Как, не замочив рук (или каких-нибудь других предметов), вытащить скрепку из воды? Это можно сделать магнитом, используя его свойство действовать на расстоянии.

Если взять два любых кусочка магнита и поднести их друг к другу, то окажется, что они одним концом притягиваются, а другим — отталкиваются. Один конец называется южным или положительным полюсом магнита и помечается знаком «+». Другой конец — северный (отрицательный) полюс магнита, помечается знаком «-«. Магниты притягиваются друг к другу разноименными полюсами, а отталкиваются одноименными.

Магнит — это тело, обладающее магнитным полем. Название происходит от названия гор и местности Магнисия в Малой Азии, где в древности были обнаружены залежи магнитита. Но на многих языках мира слово «магнит» — значит просто «любящий» — это осмысление его способности притягивать к себе.

Свойства магнитов широко используются в технике и в быту.

1. Опираясь на свой жизненный опыт, уроки физики, материаловедения, скажи те, как и где используются свойства магнитов?
2. Как вы уже знаете, современные электрические машины, трансформаторы, электромагнитные аппараты (различного типа реле) и приборысостоят из магнитопроводов и обмоток. В зависимости от требований, предъявляемых к различным электромагнитным устройствам, их магнитопроводы изготовляются самой разнообразной формы.Как вы думаете для чего сердечники электрических машин и аппаратов изготавливают из ферромагнитных материалов?
3. Дайте понятия об однородной и неоднородной, разветвленной и неразветвленной магнитной цепи.
4. Закон полного тока
5. Алгоритм решения прямой и обратной задачи для однородной магнитной цепи.
6. Алгоритм решения прямой задачи для неоднородной магнитной цепи.

Итак, Из всего многообразия магнитных цепей и вариантов задач сегодня решим … какую задачу? прямую или обратную, что проще? правильно ПРЯМУЮ задачу а для какой магнитной цепи? разветвленной или неразветвленной… проще – неразветвленной… а чтоб жизнь медом не казалась -чуть усложним… возьмем неоднородную магнитную цепь.

Практическое занятие №5

Тема: Расчет неразветвленной магнитной цепи.

Цель: приобрести навыки расчёта магнитных цепей.

Уметь проводить аналогию с электрическими цепями, применять основные законы, лежащие в основе расчёта магнитных цепей.

Материально-техническое оснащение:
Инструкционные карты, т аблица х арактеристик магнитных материалов, чертежные принадлежности, калькулятор.

Задание . Необходимо рассчитать неразветвлённую магнитную цепь, у которой известны: марка материала, из которого изготовлен сердечник, размеры магнитопровода в мм, число витков обмотки.