Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

ния силовых линий магнитного поля катушки, как представлен­ ные, например, на рис. 11.4, 12.4 и 14.3, соответствуют действи­ тельности только при условии, что в катушке течет постоянный ток. Если же катушка используется в цепи с переменным током, то эти рисунки отражают форму распределения силовых линий лишь в первом приближении.

Если на катушку подается изменяющийся во времени элек­ трический ток, то в окружающем трехмерном пространстве созда­ ется магнитное поле, напряженность которого распределена на­ много более сложным образом. Форма этого распределения зави­ сит как от структуры катушки, так и от частоты тока возбужде­ ния. Графическое изображение распределения напряженности поля в пространстве называется диаграммой излучения, <или диаграммой направленности. Такая диаграмма состоит из не­ скольких элементов, соответствующих максимумам напряжен­ ности поля и называемых лепестками.

Любая диаграмма излучения имеет несколько лепестков. Хотя катушку или антенну можно сконструировать таким образом, чтобы большая часть энергии излучалась в пределах одного главного лепестка, всегда какая-то часть энергии принадлежит к боковым или задним лепесткам, которые уменьшены до прием­ лемых минимальных размеров. Лепестки диаграммы излучения характеризуются максимальной величиной, шириной на уровне половинной мощности, направлением и фазой. Следует учиты­ вать, что соседние лепестки могут иметь противоположные фазы.

сят от частоты энергии возбужде­ ния и от структуры катушки

13. ИЗМЕНЕНИЯ МАГНИТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

При любых изменениях магнитного сопротивления, которым характеризуется путь магнитных силовых линий, связанных с катушкой, происходит также изменение индуктивности этой катушки. Изменение индуктивности катушки определяется по из­ менениям фазы и (или) амплитуды тока, создаваемого в катушке приложенным к ней напряжением возбуждения с постоянной амплитудой.

Индуктивность катушки пропорциональна отношению числа силовых линий поля, проходящих через катушку, к току, теку­

щему в витках катушки и поддерживающему данный магнитный поток. Вследствие того что присутствие магнитного материала на пути магнитного потока влияет на плотность этого потока, помещение магнитных материалов на пути потока всегда приво­ дит к изменению индуктивности катушки. В частности, индуктив­ ность измерительной катушки возрастает при ее приближении к магнитно-проницаемой мишени.

Магнитное сопротивление — это характеристика, используе­ мая для описания тех свойств пути магнитных силовых линий, которые определяют трудность прохождения по нему магнит­ ного потока. Чем меньше магнитное сопротивление, тем боль­ ший поток может пройти по данному пути. Индуктивность ка­ тушки обратно пропорциональна магнитному сопротивлению пути магнитных силовых линий по отношению к потоку, связан­ ному с катушкой.

Как показывает уравнение (2.5), если магнитодвижущая сила, приложенная к магнитной цепи, поддерживается постоян­ ной, а магнитное сопротивление этой цепи изменено любым спо­ собом, то поток в цепи также изменится в зависимости от изме­ нения магнитного сопротивления.

Согласно уравнению (2.6) магнитное сопротивление является функцией длины и площади поперечного сечения магнитной цепи, а также магнитной проницаемости материала, из которого со­ стоит магнитная цепь. При любом изменении любой из этих трех величин соответствующим образом изменяется магнитный поток в цепи.

Изменения магнитного сопротивления, обусловленные измене­ ниями магнитной проницаемости, обсуждены в других главах в зависимости от того, какие конкретные факторы влияют на магнитную проницаемость — химические (см. гл. 3), гистерезис­ ные (см. гл. 4), магниторезонансные (см. гл. 8), магнитострикционные (см. гл. 16) или связанные с квантованием магнитного пото­ ка (см. гл. 25). В этой главе рассматриваются иные способы внесения изменений, а также обнаружения изменений магнитного сопротивления, не имеющие отношения к изменениям магнитной проницаемости.

В литературе по данному вопросу заметна некоторая пута­ ница в связи с отсутствием общепринятых определений для по­ нятий «преобразование с изменением магнитного сопротивления», «преобразование с изменением индуктивности», «преобразование с изменением магнитной проницаемости» и «преобразование с изменением ц». Два последних понятия здесь рассматриваются как эквивалентные, в дальнейшем будут обсуждены дополни­ тельные подробности о них. Два первых понятия имеют сле­ дующий смысл.

При преобразовании с изменением магнитного сопротивле­ ния магнитные характеристики пути магнитных силовых линий

изменяются за счет иных факторов, чем изменение магнитной проницаемости. При преобразовании с изменением индуктивности

остаются неизменными физические характеристики некоторого магнитного тела, но изменяется расположение этого тела по отношению к магнитному полю катушки.

13.1. ФЕРРОМАГНИТНЫЕ СЕРДЕЧНИКИ

Минимально возможное магнитное сопротивление магнитной цепи достигается при условии, что поток находится полностью в ферромагнитном веществе. Следовательно, если в конструкцию катушки включить ферромагнитный элемент, создающий непре­ рывный путь магнитных силовых линий, который сцепляет все витки катушки, то индуктивность такой катушки будет больше, чем индуктивность аналогичной катушки с воздушным сердеч­ ником (без ферромагнитного сердечника). Конструкция катушки с ферромагнитным сердечником иллюстрируется на рис. 13.1. При указанных условиях индуктивность катушки определяется числом витков и магнитным сопротивлением, которое испыты­ вается потоком.

Индуктивность катушки с ферромагнитным сердечником

где N — число витков; а — площадь поперечного сечения сер­ дечника; / — длина сердечника; р — магнитная проницаемость материала сердечника и к — константа.

Хотя это выражение является точным с математической точ­ ки зрения, при рассмотрении конструкции сердечника необхо­ димо учитывать целый ряд дополнительных факторов. В част­ ности, ферромагнитный сердечник под действием переменного магнитного потока будет проявлять все гистерезисные свойства, описанные в гл. 4. Дифференциальная магнитная проницаемость магнитного вещества любого типа уменьшается при увеличении

Рис. 13.1. Катушка индуктивно­ сти с ферромагнитным сердечни­ ком. При введении в магнитное поле катушки тела из ферромаг­ нитного вещества импеданс ка­ тушки значительно увеличива­ ется

потока через это вещество. В состоянии насыщения дифферен­ циальная магнитная проницаемость вещества фактически сов­ падает с аналогичной характеристикой для вакуума. Кроме того, в случае переменного магнитного потока циклические изменения поля в соответствии с петлей гистерезиса приводят к потерям, которые определяются площадью, ограниченной петлей гисте­ резиса. Для минимизации этих потерь нужно использовать ве­ щества с минимально возможной коэрцитивной силой.

Другие потери обусловлены вихревыми токами, которые на­ водятся в материале сердечника. Они возрастают при увеличении частоты переменного потока. Такие потери можно свести к ми­ нимуму при низких частотах, использовав ферромагнитные материалы с большим удельным сопротивлением и слоистые конструкции сердечника (рис. 13.1), при средних частотах — ис­ пользовав порошковые сердечники, при высоких частотах — использовав сердечники из непроводящих ферритов и при самых высоких частотах — полностью исключив применение ферромаг­ нитных материалов для сердечников.

Магнитострикционные потери минимизируются за счет приме­ нения материалов с минимальным коэффициентом магнитострикции.

13.2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ С ИЗМЕНЕНИЕМ ИНДУКТИВНОСТИ

На рис. 13.2 изображена система со стержнем из ферромаг­ нитного материала, который вдвигается в катушку, генерирую­ щую магнитное поле, или выдвигается из этой катушки. Здесь индуктивность катушки будет максимальна, когда стержень на­ ходится в центре катушки, и минимальна, когда стержень удален от катушки на значительное расстояние. Следовательно, о поло­ жении стержня можно судить по измеренным значениям индук­ тивности катушки, тока в катушке или фазового угла между приложенным напряжением возбуждения и током в катушке.

На рис. 13.3 приведена векторная диаграмма, иллюстрирую­ щая электрические явления, которые происходят в резистивно­ индуктивной цепи, если изменять индуктивность, поддерживая постоянство всех остальных параметров цепи. На диаграмме от­ ражены схематически условия функционирования физической системы, представленной на рис. 13.2. Здесь векторы напряжения на резистивном и индуктивном элементах всегда направлены перпендикулярно один другому и в сумме дают вектор прило­ женного напряжения. Кроме того, ток в этой цепи всегда сов­ падает по фазе с напряжением на резистивном элементе.

На диаграмме видно, что при увеличении индуктивности воз­ растает индуктивное сопротивление, а также произведение тока на индуктивное сопротивление, однако произведение тока на резистивное сопротивление уменьшается. Если резистивное со-

Рис. 13.2. Катушка с переменной индуктивностью. Индуктивность проволочной катушки зависит от положения ферромагнитного тела в магнитном поле катушки

Рис. 13.3. Векторная диаграмма для резистивно-индуктивной цепи. За измене­ нием положения ферромагнитного тела в магнитном поле катушки можно сле­ дить по изменениям амплитуды и фазового угла тока, текущего в катушке

противление остается постоянным, то уменьшение его произве­ дения на ток означает уменьшение тока. Кроме того, ток в опи­ сываемой цепи всегда совпадает по фазе с напряжением на резистивном элементе. Следовательно, положение стержня в си­ стеме, изображенной на рис. 13.2, можно определять по над­ лежащим образом прокалиброванной траектории конца вектора тока, изменяющего свою фазу и амплитуду, как показано на рис. 13.3.

13.3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ С ИЗМЕНЕНИЕМ МАГНИТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Если ограничить рассмотрение в основном электрическими яв­ лениями, то преобразования с переменной индуктивностью и с переменным магнитным сопротивлением можно считать совер­ шенно равнозначными. В обоих случаях индуктивность катушки изменяется вследствие изменения магнитного сопротивления пути магнитных силовых линий поля данной катушки. Поэтому век­ торная диаграмма на рис. 13.3 вполне применима для обоих рас­ сматриваемых явлений.

Однако, если сосредоточить внимание на магнитных явлениях, то следует учесть, что в этих двух случаях используются два разных способа изменения магнитного сопротивления пути маг-