Магнитное поле постоянного тока
Содержание
При протекании не изменяющихся во времени токов по проводящим телам, являющихся неподвижными в пространстве относительно наблюдателя, возникает электромагнитное поле. Последнее состоит из двух компонент — электрического и магнитного полей. Но электрическое поле не изменяется во времени, поэтому не оказывает никакого влияния на магнитное поле. На основании этого магнитное поле постоянного тока может рассматриваться независимо от электрического.
Суть явления
Магнитное поле постоянного тока возникает вокруг проводника, по которому протекает электрический ток, не изменяющийся со временем или при использовании постоянных магнитов.
Земля также обладает магнитным полем, которое генерируется ее геодинамическими процессами. Поле планеты является слабым по сравнению с тем, что создается машинами или магнитами, измеряется в микротеслах (мкТл).
Любое поле условно изображается с помощью линий, получивших название силовых. Чем гуще располагаются линии на рисунке, тем большей интенсивностью обладает поле. Силовые линии представляют собой замкнутые окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику, ось которого является местом расположения центральных точек окружностей. Замкнутость силовых линий свидетельствует о том, что не существует природных магнитных зарядов, подобных электрическим.
Вектор МП направлен по касательной к силовым линиям. В этом можно убедиться, воспользовавшись магнитной стрелкой. В каждой точке поля она будет устанавливаться по касательной к некоторой окружности, изображающей силовую линию. Если ток по проводнику пустить в другом направлении, то и стрелка развернется в противоположную сторону. Следовательно, направление вектора силы поля зависит от направления тока, протекающего по проводнику.
Магниты обладают собственным МП. Линии магнитного поля, расположенные в пространстве вне постоянного магнита, начинаются на северном полюсе магнита, а заканчиваются на южном. МП двух магнитов вступают во взаимодействие друг с другом. При этом происходит переориентация магнитов.
Характеристики поля
Основная силовая характеристика магнитного поля называется магнитной индукцией (В) Она измеряется в единицах, получивших название тесла (Т) в честь известного ученого. Индукция определяет силу и направление поля в данной точке пространства. Поле тем сильнее, чем выше значение его характеристики В.
Магнитное поле, создаваемое бесконечным проводником с током, имеет индукцию, значение которой определяется с помощью такой формулы:
Чтобы рассчитать модуль индукции в центре витка с током, используют такое уравнение:
Направление вектора индукции определяется несколькими способами.
Еще одна характеристика МП — плотность магнитного потока (Ф) показывает количество силовых линий, проходящих через определенную поверхность. Измеряется в веберах (Вб). Чем выше плотность, тем более интенсивно действует поле.
Магнитная напряженность (Н) — это количественная характеристика, не зависящая от магнитных свойств среды. Измеряется в амперах на метр (А/м). Напряженность и индукция связаны следующим выражением:
Магнитная проницаемость (μ) определяет способность среды или материала создавать внутреннее магнитное поле под влиянием внешнего. Различные материалы имеют разные значения проницаемости, и это влияет на индукцию внутри материала.
Взаимодействие магнитного поля с проводником
При перемещении электрозарядов всегда возникает магнитное поле, которое в свою очередь вызывает движение электрозарядов. Связь между электрическими и магнитными явлениями выражается электромагнитным полем. На каждую частицу с зарядом в таком поле действует сила Лоренца.
Поскольку электроток — это движение заряженных частиц по проводнику, то магнитное поле взаимодействует не только с зарядами, но и с самим проводником. Воздействие МП на проводник с током является одним из основных его проявлений. Силу, с которой поле действует на проводник, назвали силой Ампера. Ее направление находят, пользуясь правилом левой руки.
Сила Ампера имеет максимальное значение, если проводник расположен перпендикулярно вектору магнитной индукции. Если же проводник и вектор МИ параллельны, то сила Ампера отсутствует, поскольку sin0 = 0.
Если рядом с проводником расположить второй, то при протекании тока по ним, первый окажется в магнитном поле, возникающем вокруг второго, а второй в том, которое образуется вокруг первого. Если токи в обоих проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются друг к другу. В противном случае они отталкиваются.
Поле в машинах постоянного тока
Свойство рамки поворачиваться в магнитном поле под действием силы Ампера используется в машинах, преобразующих электрическую энергию в механическую (двигатели) или механическую в электрическую (генераторы). Рамки в таких машинах располагаются в пазах цилиндра, называемого якорем. Концы рамок соединяются с коллектором, закрепленным на одной оси с якорем.
Магнитное поле машины постоянного тока образуется при прохождении токов по обмотке неподвижного индуктора. Под влиянием МП возникает момент, вращающий якорь. Реакция якоря зависит от силы электротока, протекающего по обмотке и насыщения магнитной цепи.
В якоре во время холостого хода тока нет. Магнитное поле при этом образуется лишь под влиянием намагничивающей силы полюсов. Оно распределяется симметрично по отношению к оси полюсов и равномерно в пространстве воздушного зазора.
Магнитное поле машины постоянного тока, которое возникает при нагрузке в обмотке якоря, воздействует на поле полюсов, изменяя и искажая его. То есть, под действием намагничивающей силы якоря и полюсов создается результирующий магнитный поток, не идентичный потоку полюсов при холостом ходе.
В результате с одной стороны полюса происходит снижение магнитной индукции, а с другой — увеличение. Следовательно, результирующее МП нагруженной машины распределяется несимметрично относительно оси полюсов.
Искажение МП ухудшает условия коммутации и рабочие свойства машины. У генераторов наблюдается снижение ЭДС, а у двигателей — вращающего момента. Для борьбы с данным явлением используют компенсационные обмотки. Наличие такого элемента обеспечивает практически неизменное МП машины при переходе с холостого хода в режим с нагрузкой.
Практическое применение
Помимо электродвигателей и генераторов, магнитное поле постоянного тока широко используется в других сферах. Например, в медицинских устройствах для магнитно-резонансной томографии (МРТ). С его помощью получают детальные изображения внутренних органов и тканей человека.
Магнитные системы находят применение в таких устройствах, как сепараторы, подъемники, подшипники. Они используются для сортировки материалов, удержания и перемещения предметов и других задач.
Магнитные поля используются для омагничивания воды. Так как без воды не обходится ни один биологический процесс и подавляющее большинство технологических процессов, то изменение ее свойств с помощью МП находит широкое применение в медицине, пищевых технологиях, химии и даже в сельском хозяйстве.
Магнетизм применяется в электромагнитных пушках и ускорителях. С помощью этого физического явления создаются поля, которые воздействуют на заряженные частицы и помогают управлять их движением и ускорением.
Важным аспектом магнитного поля является его поведение при работе с нагрузкой. Последняя способна влиять на поле и его взаимодействие с проводниками в машине, что может приводить к потерям энергии или изменению характеристик устройства.
Загрузка...
