Глава IV. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ *
* Магнитные материалы и их свойства рассматриваются в главе «Электроматериалы».
§ 1. Магнитное поле электрического тока
При прохождении тока по проводнику в пространстве вокруг него возникает магнитное поле, обладающее энергией, которая воздействует на вещества. Для характеристики свойств магнитного поля его действия выражаются через так называемые магнитные линии. Направление их соответствует направлению вращения буравчика при его продвижении вдоль тока. В отличие от электрических силовых линий, которые начинаются на одном электрическом заряде и кончаются на другом, магнитные линии являются замкнутыми (рис. 10). На рисунке магнитные линии условно показаны в отдельных точках проводника.
Рис. 10. Магнитное поле вокруг проводника с током.
Фактически они распределены вдоль всего проводника. С увеличением тока происходит усиление магнитного поля. Чем ближе к проводнику, тем действие магнитного поля проявляется более сильно.
Если применить проводник в виде спирали (соленоид, катушка), то при прохождении по нему тока магнитное поле будет значительно сильнее, чем в прямолинейном проводнике. При этом чем больше витков у этой катушки и чем больше ток, тем сильное магнитное поле.
В катушке магнитные поля отдельных витков складываются, образуя общее магнитное поле. Для усиления его в катушку вводят железный сердечник, который, в результате воздействия магнитного поля катушки, сам намагничивается и значительно усиливает магнитный поток.
Электромагнитная катушка имеет два полюса: тот ее конец, где магнитные линии входят в катушку, называется южным магнитным полюсом (S или Ю), а тот конец, где магнитные линии выходят из катушки, называется северным полюсом (Ν или С).
Катушка из изолированной проволоки, в которую вставлен сердечник, изготовленный из материала, хорошо проводящего магнитные линии, называется электромагнитом.
Большинство электромагнитов изготавливается с сердечниками, которые способны быстро намагнититься относительно небольшим током, но после прекращения протекания тока почти полностью размагничиваются. Электромагнит проявляет действие только при протекании по нему тока.
Электромагниты находят самое широкое практическое применение. Они используются для возбуждения магнитного потока в электрических машинах, в электромагнитных реле и т. д.
§ 2. Взаимодействие тока с магнитным полем
Если катушка с током расположена таким образом, что может свободно перемещаться в горизонтальной плоскости, то она стремится принять положение, при котором один из ее полюсов будет обращен к югу, а второй — к северу. Происходит это в результате взаимодействия магнитных полей земли и катушки с током.
При наличии нескольких катушек влияние их друг на друга происходит по такому принципу: разноименные полюсы притягиваются, а одноименные отталкиваются.
Если по рядом расположенным проводникам пропустить ток, то будет происходить взаимодействие магнитных полей этих проводников. При этом, если ток по проводникам будет идти в одном и том же направлении, проводники будут приближаться друг к другу. При различном направлении тока в проводниках они будут отталкиваться.
Величина силы действия магнитных полей зависит как от взаиморасположения проводников, так и от величины тока.
Рис. 11. Определение направления действия механической силы на проводник с током по правилу левой руки.
Если провода перекрещиваются, то никакого взаимодействия магнитных полей не наблюдается. При параллельном расположении проводников взаимодействие полей наибольшее. Чем меньшее пространство между двумя параллельными проводами, тем большее проявление силы взаимодействия магнитных полей. С увеличением тока в проводниках сила взаимодействия также усиливается.
Расположенный в магнитном поле проводник, по которому идет ток, испытывает влияние в виде механической силы. Для определения направления действия этой силы пользуются так называемым правилом левой руки. Если расположить левую руку таким образом, чтобы в ладонь входили магнитные силовые линии, а вытянутые пальцы соответствовали бы направлению тока, то отогнутый большой палец будет указывать направление действия силы на проводник (рис. 11). В этом направлении проводник как бы выталкивается из магнитного поля. Причем, чем больше ток в проводнике и напряженность магнитного поля, тем большая сила действует на проводник. Величина силы зависит также и от длины проводника: чем большая часть (длина) проводника находится в магнитном поле, тем сильнее проявляется действие этой механической силы.
Рассмотренные выше закономерности имеют большое практическое значение. На этих принципах основана работа электрических двигателей, многих приборов и аппаратов.
§ 3. Электромагнитная индукция, самоиндукция и взаимная индукция
Если замкнутую цепь перемещать в магнитном поле, то в ней возникает электродвижущая сила (рис. 12). Направление индуктированной электродвижущей силы определяется по так называемому правилу правой руки. Если расположить ее таким образом, чтобы магнитный поток входил в ладонь, а отогнутый большой палец указывал направление движения проводника в магнитном поле, тогда вытянутые остальные пальцы будут показывать направление движения электродвижущей силы (рис. 13).
Рис. 12. Возникновение индуктированной э. д. с.: а) при передвижении магнита в катушке; б) при перемещении проводника в магнитном поле.
Рис. 13. Определение направления индуктированной э. д. с. по правилу правой руки.
Самоиндукцией называется электродвижущая сила, возникающая в цепи, в которой происходит изменение величины тока.
Взаимоиндукцией называется электродвижущая сила, которая возникает в одной из цепей в результате изменения тока в другой.
Эти закономерности широко применяются в электроэнергетике. В частности, на таком принципе основана работа вращающихся генераторов.
§ 4. Вихревые токи
Вихревыми токами называются электрические токи, которые возникают в сплошном металлическом (стальном или чугунном) предмете в результате воздействия на него магнитного поля. Эти токи в ряде случаев являются полезными и применяются в практических целях, например, при работе некоторых измерительных приборов. Однако в большинстве случаев вихревые токи бесполезны и даже вредны, так как они нагревают металлические части, приводя к лишним потерям электрической энергии.
Для уменьшения вихревых токов стальные детали электрических машин и аппаратов изготавливают не сплошными, а состоящими из отдельных листов, которые изолируют друг от друга с помощью изоляционного лака или бумагой, пропитанной лаком. Уменьшение вихревых токов достигается также путем использования специальных материалов (сталь с соответствующими примесями).
