Магнитное сопротивление. Применение и особенности

Магнитное сопротивление (МС) – один из важнейших параметров «магнитопроводов», характеризующий их реакцию на изменения э/м поля. На их практическом применении основывается работа большинства электротехнических устройств, начиная от простейших датчиков и кончая мощными электрическими агрегатами.

Что собой представляет магнитное сопротивление

Прежде необходимо ознакомиться с некоторыми особенностями использования ферромагнитных материалов (другое их название – «ферромагнетики»). Эти вещества позволяют повысить напряженность магнитного поля, действующего в пределах данной системы, а также придать силовым линиям нужную ориентацию. Ферромагнитные материалы, обладающие магнитной проводимостью, входят в состав различных приборов, широко используемых в электротехнике.

Магнитопроводы – это вещества особой структуры, которым при производстве придается определенная форма и размеры. С точки зрения передачи потоков электромагнитной энергии через такие тела они аналогичны электрическим цепям. Отличие состоит в том, что одни из них описываются активным электрическим сопротивлением, а другие – его магнитным аналогом.

Магнитное сопротивление представляет собой параметр, характеризующий ферромагнитные материалы с точки зрения их способности препятствовать или способствовать распространению потоков э/м полей. Этот показатель помогает оценивать полевые структуры, образующиеся в магнитопроводах при эксплуатации промышленного и бытового электротехнического оборудования.

МС – одна из важнейших характеристик магнитной цепи, представляемая в виде соотношения двух связанных с ней величин. В формуле для их выражения используются магнитодвижущая сила МДС, обозначаемая как «F», и создаваемый ей магнитный поток «Ф»:

F= ФхRm

При необходимости связать МС с геометрическими размерами магнитопровода применяется формула:

Rm = L/mm0S

В этом представлении L и S – это длина и поперечное сечение участка магнитопровода, а m – магнитная проницаемость ферромагнитного материала цепи. Второй сомножитель в знаменателе, обозначаемый как «m0» – это так называемая «магнитная постоянная», характеризующая особенности используемого материала. При неоднородной магнитной цепи, состоящей из различных частей с отличными один от других показателей L, S и m, ее МС находится как сумма отдельных составляющих.

Как появилось понятие «магнитное сопротивление» в измерительной практике

Понять, когда и в связи с чем появилось это понятие поможет исследование простейшей магнитной цепи, образующейся в магнитопроводе неразветвленного сердечника определенного сечения. Обязательно учитываются следующие важные моменты:

Магнитопровод изготавливается из специального материала с проницаемостью, обозначаемой значком «m» (читается, как «мю»).
В нем обязательно наличие зазора той же площади, что и у основания (двухполюсного ярма).
Полая часть между полюсами, как правило, заполняется изоляционным материалом.
Магнитная проницаемость диэлектрика в зазоре отлична от того же показателя для самого ферромагнетика.

При выполнении всех перечисленных условий подавляющее количество силовых линий замыкается в зоне, где расположен зазор магнитного сердечника. При оценке рабочих параметров системы достаточно учитывать только эту их часть, не принимая во внимание все остальные. Добавим к этому, что такая конструкция вполне может быть описана с помощью закона о магнитном напряжении.

В чем проявляется сходство с электрическими цепями

Поскольку в ферромагнитном материале силовые линии непрерывны во всей его площади и объему – магнитный поток «Ф» распределяется равномерно как в самом ярме, так и в его зазоре. Далее следует воспользоваться известным определением магнитной индукции, (она обозначается как «B»), которое учитывает интенсивность силовых линий. На следующем этапе проводимых преобразований через физическую величину потока «Ф» выражается напряженность электрического поля «H», в полученное соотношение подставляется в формулу для «B».

В результате этих преобразований получится выражение, внешне очень похожее на хорошо известный закон Ома для участка электрической цепи:

U=IR – Электрическая.

F=Фℜ – Магнитная.

В качестве ЭДС в этой формуле выступает магнитодвижущая сила (МДС), по своей природе сходная с известным из электротехники электрическим аналогом. А второй сомножитель в правой части ℜ – это ни что иное, как аналог электрического сопротивления, которое в данном случае называется «магнитным».

Формулировку закона, определяющего соотношение между тремя рабочими величинами, применительно к магнитным цепям можно представить следующим образом. В магнитопроводах без ответвлений магнитный поток «Ф» находится как результат деления МДС на их МС.

Из приведенной выше формулы становится понятным, что в системе СИ магнитное сопротивление должно измеряться в амперах на вебер. Вместе с тем справедливо утверждение, что этот показатель для общей магнитной цепи равен сумме тех же величин для каждой ее части. Это правило действительно для последовательного соединения отдельных участков магнитопровода.

При параллельном их соединении складываться будут величины, обратные МС (аналоги электрической проводимости). Соотношение между магнитным сопротивлением, МДС и потоком полностью аналогично тому, как связаны между собой 1/R, напряжение U и ток I в электрических цепях.

При выражении рассматриваемого показателя через геометрические размеры магнитопровода хорошо видно, что сопротивление более протяженной ферромагнитной заготовки с длиной ярма L имеет большее значение. С другой стороны МС магнитопровода с большей площадью поперечного сечения S при прочих равных условиях будет меньше:

R=ρ*1/S – Электрическое.

R=1/µS – Магнитное.

Основная сложность при оценке рассматриваемых параметров состоит в том, что магнитная проводимость не постоянна в пределах исследуемой системы. Ее величина зависит от множества факторов, включая концентрацию силовых линий исследуемого потока. Указанная проблема объясняется нелинейностью магнитных цепей, что существенно усложняет их теоретические расчеты (в сравнении с электрическими аналогами).

От чего зависит МС

Магнитное сопротивление зависит от целого ряда факторов, среди которых выделим следующие характеристики исследуемого материала:

Длина и форма магнитопровода.
Площадь его поперечного сечения.
Количество составляющих частей.
Величина магнитной проницаемости.

Влияние первых трех факторов автоматически учтено в формулах и рассуждениях. Последний показатель учитывается по аналогии с удельной электропроводностью, используемой при формулировке закона Ома для электрического сопротивления.

Более доступно разъяснить влияние этих факторов удается на примере эксперимента, проводимого с использованием комплексного магнитопровода, состоящего из нескольких частей.

Доказательство связи магнитного сопротивления частей с общим значением

Для получения подтверждения такой зависимости специалистами проводился эксперимент, для проведения которого потребовалось приготовить следующие детали и измерительные приборы:

U-образное ярмо (образец магнитопровода).
Специальная намагничивающая обмотка.
Источник переменного тока (электрическая сеть 220 В).
Понижающий трансформатор.
Реостат, вольтметр и амперметр.

При проведении этого опыта амперметр, реостат и намагничивающая катушка включались последовательно, после чего всю эту цепочку подсоединяли к источнику переменного тока.

После того, как на первичную обмотку через понижающий трансформатор подавался ток – во вторичной обмотке наводилась ЭДС, которая измерялась посредством вольтметра. Показания измерительного прибора были пропорциональны величине магнитного потока в ярме.

Далее экспериментаторы переходили к следующей последовательности действий:

Сначала ток в цепи выставлялся по амперметру на фиксированном уровне.
Затем бралась объемная металлическая пластина и прижималась к поверхности магнитопровода.
Это приводило к тому, что общее магнитное сопротивление системы заметно изменялось.
Обнаруживалось данное отличие по показанию вольтметра, которое резко возрастало при приближении стальной заготовки.

Физическую суть этого эксперимента проще всего понять, если учесть следующие моменты:

Магнитные свойства веществ определяются микроскопическими молекулярными токами, в огромном количестве присутствующими в их структуре.
При приближении и прижатии к магнитопроводу тел, обладающих магнитными свойствами, общее количество таких вращающихся систем заметно увеличивается.
Это приводит к возрастанию общего магнитного потока, а также напряженности э/м поля.

Такие непривычные сочетания, как «магнитодвижущая сила» и «магнитное сопротивление» со временем стали широко применяться при описании процессов, происходящих в ферромагнетиках. Несмотря на то, что они были введены по аналогии с электрическими величинами – эти понятия оказались очень удобными при решении многих электротехнических задач.