Магнитные материалы, магнитный поток и напряженность магнитного поля

О магнитных свойствах материалов судят по известным из физики величинам: магнитному потоку Ф, магнитной индукции В, магнитной проницаемости и напряженности магнитного поля H.

Магнитным потоком Ф через площадь S контура называют величину:

Если магнитную индукцию В выражают в теслах, а площадь S в квадратных метрах, то магнитный поток Ф выражается в веберах [Вб]: 1 Вб= 1 Тл • 1 м².

Напряженность магнитного поля Н — векторная величина, характеризующая интенсивность магнитного поля вне зависимости от среды. Единица измерения напряженности — 1 А/м (ампер/метр).

Напряженность связана с индукцией зависимостью:

где — абсолютная магнитная проницаемость вещества, Гн/м.

Физическая величина, показывающая во сколько раз индукция маг­нитного поля В в однородной среде отличается от индукции магнитного поля в вакууме В₀ называется относительной магнитной проницае­мостью вещества:

Магнитная проницаемость характеризует свойство тела (вещества) пропускать через себя магнитный поток:

(4.7)

где — относительная магнитная проницаемость вещества (безразмерная величина); — магнитная постоянная ( ).

Все вещества в магнитном поле намагничиваются, изменяя тем са­мым первоначальное внешнее поле. Эти вещества называют магнети­ками.

В зависимости от значения относительной магнитной проницаемости материалы подразделяют на диамагнитные — ослабляющие маг­нитное поле, парамагнитные и ферромагнитные — усиливающие маг­нитное поле.

Для диамагнитных веществ (диамагнетиков) <1. К ним относятся сера, углерод, золото, серебро, медь, свинец и др.

Для парамагнитных веществ (парамагнетиков) >1. Парамагнетика­ми являются кислород, азот, алюминий, платина и др.

Магнитная проницаемость диамагнетиков и парамагнетиков мало отличается от единицы. Например, у одного из самых сильных диа­магнетиков — висмута — = 0,999824, у наиболее сильных парамаг­нетиков — жидкого кислорода и платины — соответственно = 1,0034 и = 1,00036.

Резко выделяется группа веществ, вызывающих большое усиление внешнего поля. Их называют ферромагнетиками. Для ферромагнитных веществ (ферромагнетиков) »1. Ферромагнетиками являются железо, никель, кобальт и их соединения.

О поведении ферромагнитных материалов в магнитном поле судят по зависимости В от H, характеризующей процесс намагничивания и размагничивания материала под воздействием внешнего магнитного поля

Петля гистерезиса для ферромагнитных материалов

Замкнутый контур abcdefa, называют петлей гистерезиса, а весь цикл намагничивания — магнитным гистерезисом. По сути магнитный гистерезис это отставание (запаздывание) изменения магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля.

Гистерезисный цикл сопровождается также потерей энергии, кото­рая выделяется в материале в виде теплоты.

.

4.3. Явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадеем. Если проводник движется в магнитном поле, пересекая магнитные силовые линии, то в проводнике наводится (индуцируется) электродвижущая сила, а если проводник образует замкнутый контур, в нем возникает электрический ток.

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнит­ного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции , равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченнyю контуром, взятой со знаком минус:

где — промежуток времени, в течении которого поток изменяется на Ф. Эта формула носит название закона Фарадея.

Опыт показывает, что индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Это утверждение называется правилом Ленца.

Электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным то­ком, не является потенциальным. Его называют вихревым электричес­ким полем.

Вихревые токи (или токи Фуко) (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках под действием про­низывающего их переменного магнитного поля и циркулирующие и замкнутых контурах внутри материала. Их значение зависит от частоты переменного поля и удельного сопротивления материала.

4.6. Самоиндукция, взаимоиндукция и индуктивность

При изменении тока в контуре меняется магнитный поток через по­верхность, ограниченную этим контуром, что приводит к возбуждению ЭДС самоиндукции.

Самоиндукция — явление возникновения ЭДС индукции в прово­дящем контуре при изменении тока, протекающего через этот контур. Согласно правилу Ленца направление ЭДС оказывается таким, что при увеличении тока в цепи ЭДС препятствует возрастанию тока, а при уменьшении тока — убыванию и направлено на поддержание предше­ствующего состояния поля.

Величина ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости измене­ния силы тока i и индуктивности контура L:

где L индуктивность контура. Единица измерения индуктивности — генри (Гн): 1 Гн = 10³мГн = 10⁶мкГн.

Индуктивность всегда положительна и зависит только от геометри­ческих свойств контура.

Взаимоиндукция (взаимная индукция) — возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения их взаимного рас­положения. Взаимоиндукция — частный случай более общего явле­ния — электромагнитной индукции. При изменении тока в одном из проводников происходит изменение магнитного потока проходящего через контур второго, что по закону электромагнитной индукции вызывает возникновение ЭДС во втором проводнике. Если второй про­водник замкнут, то под действием ЭДС взаимоиндукции в нем образуется индуцированный ток. И наоборот, изменение тока во второй цепи наведет появление ЭДС в первой.

Явление взаимоиндукции в рядом расположенных катушках индуктивности

Явление взаимоиндукции широко используется для передачи энер­гии из одной электрической цепи в другую, для преобразования напря­жения с помощью трансформатора.