Магнитные цепи

Определение
Магнитная цепь — последовательность взаимосвязанных магнетиков, по которым проходит магнитный поток. При расчётах магнитных цепей используется почти полная формальная аналогия с электрическими цепями. В схожем математическом аппарате также присутствует закон Ома, правила Кирхгофа и другие термины и закономерности.

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:
B=F/(Qv)

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:
Другой важной характеристикой магнитного поля является величина, называемая магнитным потоком: Ф=ВS. 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

Намагничивание ферромагнетиков
Зависимости от значений относительной магнитной проницаемости материалы разделяются так:
– диамагнитные материалы (µ < 1)
– парамагнитные материалы (µ > 1)
– ферромагнитные материалы, для которых µ может достигать значений в десятки тысяч. Они имеют исключительно важную роль в электротехнике.
Во внешнем магнитном поле элементарные магниты ферромагнитного материала (домены) будут ориентироваться в направлении внешнего поля. Когда прекратится рост доменов и их ориентация, наступит состояние предельной намагниченности ферромагнетика, называемое магнитным насыщением (рис.1). Кривую В(Н) можно разделить на четыре участка:

Рис.1
почти линейный участок 0а, соответствующий малым напряжённостям магнитного поля, показывает, что магнитная индукция увеличивается относительно медленно и почти пропорционально напряжённости поля;

почти линейный участок аб, на котором магнитная индукция В растёт также пропорционально напряжённости поля, но значительно быстрее, чем на начальном участке;
участок бв – колено кривой намагничивания, который характеризует замедление роста индукции В;
участок магнитного насыщения – участок, расположенный выше точки в, здесь зависимость В = f (H) снова линейная, но рост индукции очень сильно замедлен по сравнению со вторым. Магнитная индукция, которая соответствует намагниченности насыщения, называется индукцией насыщения.

Таким образом, зависимость магнитной индукции от напряжённости поля у ферромагнитного материала достаточно сложна и не может быть выражена простой расчётной формулой. Поэтому при расчёте магнитных цепей, содержащих ферромагнетики, применяют, снятые экспериментально, кривые намагничивания
В = f (H). Одна из таких кривых показана на рис.1.
Кривая изменения магнитной проницаемости µ = f (H) для ферромагнитного материала дана на рис.2. Как видно из графика, магнитная проницаемость с ростом напряжённости поля изменяется в довольно широких пределах, что затрудняет её применение для расчётов.
Рис.2

Циклическое перемагничивание. Магнитный гистерезис.
Если увеличивать напряжённость магнитного поля от нуля до некоторого наибольшего значения, то магнитная индукция увеличивается примерно по кривой, показанной на рис.1, и достигает соответствующего максимального значения – индукции насыщения. Если затем напряжённость поля уменьшается, то и магнитная индукция уменьшается, но при соответствующих значениях напряжённости поля магнитная индукция несколько больше, чем была при увеличении напряжённости (рис.3).
Рис.3

Кривая уменьшения магнитной индукции (участок АВ) располагается выше кривой начального намагничивания (выше кривой 0А). При нулевых значениях напряжённости поля магнитная индукция имеет некоторое значение 0В, называемое остаточной индукцией.
Таким образом, магнитная индукция в ферромагнитном материале зависит не только от напряжённости поля, но и от предшествующего состояния ферромагнетика. Это явление называется гистерезисом. Нс называется коэрцитивной силой. Величина коэрцитивной силы зависит от свойств ферромагнетика. Ферромагнетики с малой коэрцитивной силой называются мягкими. Они имеют узкую петлю гистерезиса и применяются для изготовления сердечников трансформаторов, в статорах и роторах электродвигателей и генераторов тока. Ферромагнетики с большой коэрцитивной силой имеют широкую петлю гистерезиса. Их называют жёсткими. В отличие от мягких жёсткие ферромагнетики перемагничиваются с трудом.

Характеристика ферромагнетиков (магнитомягкие и магнитотвердые)
Перемагничивание ферромагнитного материала связано с расходом энергии на этот процесс. Как уже указывалось, площадь петли гистерезиса характеризует энергию, выделяемую в единице объема ферромагнетика за один цикл перемагничивания. В зависимости от величины этих потерь и соответственно формы петли гистерезиса ферромагнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Первые характеризуются относительно узкой петлей гистерезиса и круто поднимающейся основной кривой намагничивания; вторые обладают большой площадью гистерезисной петли и полого поднимающейся основной кривой намагничивания.
Магнитомягкие материалы (электротехнические стали, железоникелевые сплавы, ферриты) определяют малые потери в сердечнике и применяются в устройствах, предназначенных для работы при переменных магнитных потоках (трансформаторы, электродвигатели и др.). Магнитотвердые материалы (углеродистые стали, вольфрамовые сплавы и др.) используются для изготовления постоянных магнитов.

Закон полного тока