Явище та закон електромагнетизму

Тематичний

Навчально-методичний комплекс

дисципліни

«Електротехніка, електроніка
та мікропроцесорна техніка»

для студентів

 

 

Тема 5

магнітне коло при постійних намагнічуючих силах

 

 
Мелітополь, 2012

ВСТУП

 

«Електротехніка, електроніка та міропроцесорна техніка» є фундаментальною дисципліною, на базі якої вивчаються всі інші електротехнічні дисципліни навчального плану спеціальності. У свою чергу фізика та вища математика є базовими для дисципліни «Електротехніка, електроніка та міропроцесорна техніка».

Важливу роль відіграють знання фізичних явищ і законів, зокрема семи електромагнітних: електризації тіл, взаємодії зарядів, електричного струму, теплової дії електричного струму, електромагнетизму, електромагнітної індукції, електромагнітної сили. Тому в тематичному навчально-методичному комплексі дисципліни для студента (ТНМКДС) використовуються основні вихідні знання цих явищ і законів.

ТНМКДС виконано таким чином, щоб студенти мали можливість самостійно вивчити курс електротехніки і електроніки за допомогою базового підручника. Для цього кожна тема дисципліни містить завдання для самостійної пізнавальної діяльності студентів: інформаційно-репродуктивні, практично-стереотипні, логічно-поянтійні, експериментальні, тематичні комплексні кваліфікаційні. Експериментальні дослідження пропонується проводити студентам під керівництвом викладача, для чого вони вичають принципову електричну схему експериментальної установки, продумують, як необхідно провести експеримент і проаналізувати отримані результати. Комплексні кваліфікаційні задання студенти виконують самостійно у відповідності до свого варіанту для чого у ТНМКДС наведено алгоритм розв’язання цих завдань. Всі вказані вище завдання виконуються студентами до початку відповідних занять, у противному випадку студент до занять не допускається. На заняттях в лабораторії проводиться детальний розгляд вивчаємого матеріалу за активної участі студентів. Наприкінці лабораторних занять студенти отримують бали за свою роботу в аудиторії пропорційно позитивній участі у занятті.

Для успішного вивчення курсу електротехніки і електроніки необхідно послідовно та ритмічно виконувати програму, прагнучи повного розуміння матеріалу, що викладається, не пропускаючи жодного розділу, тому що курс електротехніки, електроніки та мікропроцесорної техніки є цільним і безперервним.

Завдання інформаційно-репродуктивні, практично-стереотипні та логічно-понятійні виконуються студентами самостійно в наступному порядку:

- прочитуються й усвідомлюються по базовому підручнику розділи, з яких складені завдання;

- по черзі на поставлені в таблицях запитання й завдання знаходяться, на думку студентів, правильні відповіді з таблиць із такими ж номерами та індексом «а»;

- знайдені номери правильних відповідей проставляються у вихідні таблиці.

Студенти мають можливість переконатися в тому, що вони успішно освоїли навчальний матеріал. Для цього вони окремо підсумовують номери правильних відповідей на непарні запитання та завдання й окремо підсумовують номери правильних відповідей на парні запитання та завдання. Від першої суми віднімають другу суму й одержують певне число. Якщо отримане число збігається із тим числом, що приводиться наприкінці кожної таблиці, то це говорить про повне засвоєння вивченого навчального матеріалу. У випадку розбіжності чисел, отриманих студентом і наведених наприкінці таблиць, студенти повинні розуміти, що навчальний матеріал ними повністю не засвоєний. Тому студентам необхідно повторно опрацювати даний навчальний матеріал.

Таким чином, даний ТНМКДС сприяє самостійній пізнавальній діяльності студентів на трьох рівнях: знань, умінь і творчого мислення, забезпечуючи як вивчення навчального матеріалу, так і розвиток мислення, що є основною вимогою кредитно-модульної системи освіти.

Графік наскрізної самостійної пізнавальної діяльності
студентів з дисципліни
«Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка»

 

 

№ п/п Номери занять Види завдань
Тема і розділи теоретичного матеріалу Т.5 5.1 – 5.5
Номери таблиць навчаюче-контролюючих завдань 5.1 – 5.5
Номери лабораторних робіт
Номери індивідуальних (логічно-понятійних) завдань  
Номер тематичного комплексного кваліфікаційного завдання ККЗ 5

 

Тема 5

МАГНІТНЕ КОЛО ПРИ ПОСТІЙНИХ НАМАГНІЧУЮЧИХ СИЛАХ

 

Явище та закон електромагнетизму

 

Тести інформаційно-репродуктивного характеру

 

Таблиця 5.1

Номер запитання, завдання Запитання, завдання Номер вірної відповіді
1. У чому суть явища електромагнетизму?  
2. Сформулюйте правило «правого буравчика».  
3. Яка фізична величина є силовою характеристикою магнітного поля?  
4. Дайте визначення магнітної індукції.  
5. Запишіть визначальну формулу магнітної індукції.  
6. Одержіть одиницю магнітної індукції з визначальної формули.  
7. Що таке однорідне магнітне поле?  
8. Дайте визначення магнітного потоку для однорідного магнітного поля.  
9. Запишіть визначальну формулу магнітного потоку для однорідного магнітного поля.  
10. Одержіть одиницю магнітного потоку для однорідного магнітного поля з визначальної формули.  
11. Сформулюйте закон електромагнетизму.  
12. Запишіть математично та розшифруйте закон електромагнетизму.  
13. Одержіть одиницю потокозчеплення з математичного запису закону електромагнетизму.  

У разі вірного виконання тестів Σнепарних – Σпарних = 1.

 

Таблиця 5.1а

Номер відповіді Відповіді
1. Магнітне поле, у якого магнітна індукція в будь-якій точці поля однакова.
2. Ф = В×S.
3. Фізична величина, яка чисельно дорівнює добутку магнітної індукції на площу, через яку проходить магнітне поле.
4. .
5. Потокозчеплення (добуток кількості витків котушки на магнітний потік) прямо пропорційно добутку індуктивності котушки на силу електричного струму.
6. y = w×Ф = L×I.
7. Навколо провідника зі струмом утворюється магнітне поле.
8. .
9. Якщо правий буравчик угвинчувати за напрямом електричного струму, то його напрям обертання буде збігатися з напрямом силових ліній магнітного поля.
10. .
11. Магнітна індукція.
12. .
13. Фізична величина, яка за модулем дорівнює відношенню обертаючого моменту рамки зі струмом (поміщеної в дану площину поля) до добутку площі рамки на силу струму в ній.

Тести інформаційно-репродуктивного характеру

Таблиця 5.2

Номер запитання, завдання Запитання, завдання Номер вірної відповіді
1. Дайте визначення напруженості магнітного поля.  
2. Запишіть визначальну формулу напруженості магнітного поля.  
3. Одержіть одиницю напруженості магнітного поля з визначальної формули.  
4. Як визначити магнітну проникність середовища?  
5. Що таке магнітна постійна? Чому вона дорівнює?  
6. Що таке відносна магнітна проникність середовища?  

У разі вірного виконання тестів Σнепарних – Σпарних = –1.

Таблиця 5.2а

Номер відповіді Відповіді
1. Фізична величина, яка показує, у скільки разів магнітна проникність середовища відрізняється від магнітної проникності вакууму.
2. .
3. Фізична величина, яка чисельно дорівнює відношенню магнітної індукції до магнітної проникності середовища.
4. .
5. mC = m×m0.
6. Магнітна проникність вакууму; 4p×10–7 Гн/м.

 

Тести практично-стереотипного характеру

Таблиця 5.3

Номер запитання, завдання Запитання, завдання Номер вірної відповіді
У магнітному полі постійного магніту знаходиться рамка зі струмом. Сила струму в рамці дорівнює 10 А. На рамку діє обертаючий момент 0,1 Н×м. Площа рамки дорівнює 500 см2. Площа поперечного перерізу кожного полюса магніту дорівнює 200 см2.
1. Визначте магнітну індукцію поля у теслах з точністю до сотих.
2. Визначте магнітний потік між полюсами у веберах з точністю до тисячних.
У котушці індуктивності з феромагнітним осердям протікає електричний струм. Котушка має 1000 витків. Довжина середньої лінії магнітопроводу дорівнює 500 см. Площа поперечного перерізу магнітопроводу дорівнює 50 см2. Відносна магнітна проникність матеріалу магнітопроводу дорівнює 2500/p. Магнітна індукція в магнітопроводі дорівнює 1,2 Тл.
3. Визначте магнітну проникність магнітопроводу у генрі, поділених на метр, з точністю до тисячних.  
4. Визначте напруженість магнітного поля в магнітопроводі в амерах, поділених на метр, з точністю до одиниць.  
5. Визначте намагнічуючу силу котушки в амперах з точністю до одиниць.  
6. Визначте силу струму, що протікає в котушці з точністю до одиниць.  
7. Визначте магнітний потік у магнітопроводі у веберах з точністю до тисячних.  
8. Визначте потокозчеплення котушки у веберах з точністю до одиниць.  
9. Визначте індуктивність котушки у генрі з точністю до одиниць.  
10. Визначте енергію магнітного поля котушки в джоулях з точністю до одиниць.  

У разі вірного виконання тестів Σнепарних – Σпарних = –11.

Таблиця 5.3а

Номер відповіді Відповіді
1. 1.
2. 0,001.
3. 6.
4. 6000.
5. 1200.
6. 0,006.
7. 6 А.
8. 18.
9. 0,2.
10. 0,004.

 

5.2 Магнітне коло та його конструктивна схема

5.3 Крива намагнічування

Тести інформаційно-репродуктивного характеру

Таблиця 5.4

Номер запитання, завдання Запитання, завдання Номер вірної відповіді
1. Що розуміється під магнітним колом?  
2. Назвіть основні елементи магнітного кола.  
3. Укажіть призначення магнітопроводу.  
4. З яких матеріалів виготовляються магнітопроводи?  
5. Перелічіть феромагнітні матеріали.  
6. Наведіть приклад конструктивної схеми найпростішого магнітного кола.  
7. Сформулюйте закон повного струму для однорідного магнітного поля.  
8. Запишіть математично закон повного струму для однорідного магнітного поля.  
9. Що розуміється під намагнічуючою силою?  
10. Запишіть визначальну формулу намагнічуючої сили.  
11. Одержіть одиницю намагнічуючої сили з визначальної формули.  
12. Одержіть вираз напруженості магнітного поля із закону повного струму.  
13. Що являє собою крива намагнічування?  
14. Зобразіть графічно криву намагнічування.  

У разі вірного виконання тестів Σнепарних – Σпарних = 9.

Таблиця 5.4а

Номер відповіді Відповіді
1.
В
Н
Тл
А/м

 

 
2. [F] = витки ∙ А = А.
3. .
4. Залежність магнітної індукції від напруженості магнітного поля: В = f (Н).
5. Сукупність пристроїв, які забезпечують можливість створення магнітного потоку.
6. З феромагнітних матеріалів.
7. Магнітопровід із одною або декількома обмотками.
8. Фізична величина, яка чисельно дорівнює добутку кількості витків котушки на силу струму в ній.
9. Проведення магнітного потоку.
10.
w  
I
+
–
U
Ф

 

 
11. Намагнічуюча (магніторушійна) сила прямо пропорційна добутку напруженості магнітного поля на довжину магнітопроводу.
12. .
13. Залізо, нікель, кобальт.
14. .

 

5.4 Петля гістерезису

5.5 Електромагніти та їх розрахунок

Тести інформаційно-репродуктивного характеру

Таблиця 5.5

Номер запитання, завдання Запитання, завдання Номер вірної відповіді
1. Зобразіть графічно петлю гістерезису (перемагнічування).  
2. Яким явищем супроводжується перемагнічування магнітопроводу?  
3. Від чого залежать втрати енергії на перемагнічування.  
4. Де застосовуються електромагніти в техніці?  
5. Складіть конструктивну схему електромагніта для тягових зусиль.  
6. Запишіть формулу для розрахунку піднімальної сили електромагніта для тягових зусиль.  

У разі вірного виконання тестів Σнепарних – Σпарних = 3.

Таблиця 5.5а

Номер відповіді Відповіді
1. Для створення магнітного поля в електрогенераторах, електродвигунах, трансформаторах, електровимірювальних приладах, електричних апаратах, а також для створення тягових зусиль.
2. Від площі петлі гістерезису.
3. Виділенням тепла.
4.
w
I
–
+
U
Ф
l2, S2
l1, S1

 
5. .
6.
В
Тл
Н
А/м

   

 

Лабораторна робота № 5

 

1. Опис експериментальної установки

Експериментальна установка містить ідеальний генератор постійного струму G, з'єднувальні проводи та котушку індуктивності К з феромагнітним осердям, для якої відомі кількість витків w та індуктивність L. Для вимірювання сили струму передбачений амперметр РA. Для комутації кола передбачений вимикач SА.

G
РA
SА
К
+
–
Принципова електрична схема експериментальної установки наведена на рисунку 5.1.

 

 

Рисунок 5.1 - Принципова електрична схема експериментальної установки.

Для складання схеми необхідно мати 4 провідника (на схемі позначені номерами 1-4).

 

2. Завдання з виконання експериментального дослідження

2.1 Зібрати схему експериментальної установки.

2.2 Подати напругу на затискачі експериментальної установки.

2.3 Зняти показання приладів, результати занести в таблицю 5.6.

Таблиця 5.6

№ п/п Умови проведення експерименту Показання приладів
w L, Гн I, А
Вимикач SА замкнений      

 

 

2.4 Визначити за допомогою експериментальних даних магнітний потік усередині котушки, використовуючи рівняння закону електромагнетизму:

.

 

2.5 Визначити за допомогою експериментальних і розрахункових даних потокозчеплення котушки, використовуючи рівняння:

y = w×Ф .

 

2.6 Визначити за допомогою експериментальних даних намагнічуючу силу котушки, використовуючи рівняння:

F = w×I .

 

2.7 Визначити за допомогою експериментальних даних енергію магнітного поля котушки, використовуючи рівняння:

.

 

2.8 Занести отримані значення в таблицю 5.7.

Таблиця 5.7

№ п/п Фізичні величини, що характеризують магнітне коло
Ф, Вб y, Вб F, А W, Дж
       

 

ТЕМАТИЧНЕ КОМПЛЕКСНЕ КВАЛІФІКАЦІЙНЕ ЗАВДАННЯ

Умова

Магнітне коло складається з феромагнітного осердя з перетином s
і котушки, яка має w витків. Довжина середньої силової лінії l. Котушка
споживає струм, силою І. Крива намагнічування матеріалу осердя показана на рисунку 5.2.

В, Тл
Н, А/м


Рис.5.2. Крива намагнічування стали марки 1572.

Завдання

1. Для заданого значення сили струму визначити напруженість магнітного поля.

2. З кривої намагнічування визначити магнітну індукцію в магнітопроводі.

3. Визначити магнітний потік у магнітопроводі.

4. Визначити магнітну проникність матеріалу магнітопроводу
для заданого значення сили струму.

5. Розрахувати і побудувати h = f(i),
задавшись частковими значеннями сили струму від заданого.

6. Розрахувати і побудувати в = f(i),
задавшись частковими значеннями сили струму від заданого.

7. Розрахувати і побудувати mс = f(i),
задавшись частковими значеннями сили струму від заданого.

 

Варіанти вихідних даних

до тематичного комплексного кваліфікаційного завдання

Таблиця 5.8

Варіанти Вихідні дані
I , A w l, см S, см2
1,5
1,2
3,2

 

Рішення варіанту №

Вихідні дані
I ,A w l,см S ,см2
       

 

1. Для заданого значення сили струму визначаємо напруженість
магнітного поля:

Þ ;

 

2. З кривої намагнічування визначаємо магнітну індукцію в магнітопроводі:

Н = Þ В =

 

3. Визначаємо магнітний потік у магнітопроводі:

Ф = В×S; Ф =

 

4. Визначаємо магнітну проникність матеріалу магнітопроводу для заданого значення сили струму:

 

Þ ;

 

5. Розраховуємо і будуємо Н = f(І),
задавшись частковими значеннями сили струму від заданого:

;

;

;

;

;

;

;

Результати розрахунків зводимо у таблицю 5.9.

Таблиця 5.9

Н, А/м              
I, А              

 

Представимо графічно залежність Н = f(І) на рисунку 5.3.

 

Н
I
А/м
А

 

 


Рис.5.3. Залежність Н = f(І).

 

6. Розраховуємо і будуємо В = f(І),
задавшись частковими значеннями сили струму від заданого:

 

Значення магнітної індукції знаходимо з кривої намагнічування для визначених вище значень напруженості магнітного поля

 

Н1 = Þ В1 =

Н2 = Þ В2 =

Н3 = Þ В3 =

Н4 = Þ В4 =

Н5 = Þ В =

Н6 = Þ В6 =

Н7 = Þ В7 =

Результати розрахунків зводимо у таблицю 5.10.

Таблиця 5.10

В, Тл              
I, А              

 

Представимо графічно залежність В = f(І) на рисунку 5.4.

В
I
Тл
А

 


Рис.5.4. Залежність В = f(І).

7. Розраховуємо і будуємо mс = f(І),
задавшись частковими значеннями сили струму від заданого:

;

;

;

;

;

;

;

Результати розрахунків зводимо у таблицю 5.11.

Таблиця 5.11

mс, Гн/м              
I, А              

mс
I
Гн/м
А
Представимо графічно залежність mс = f(І) на рисунку 5.5.

 

 

Рис.5.5. Залежність mс = f(І).