Основой большинства магнитных элементов служит магнитный сердечник. Под воздействием внешнего магнитного поля происходит изменение некоторых свойств этого сердечника. Физические процессы, происходящие в сердечнике, используются для создания магнитных элементов различного функционального назначения. Внешнее магнитное поле создается либо током проводника, либо источником постоянного магнитного поля, в частности, постоянным магнитом. Для продуктивного усвоения излагаемого материала напомним некоторые основные магнитные величины, их взаимозависимость и единицы измерения в международной системе единиц.
Намагничивающая (НС) или магнитодвижущая (МДС) сила – F.
Создается током, проходящим по проводнику. Обычно это не одиночный проводник, а катушка с числом витков w, поэтому намагничивающую силу определяют как:
F = I×w.
Единица измерения – ампер, А. Часто НС называют ампер-витками.
Магнитный поток – Ф.
Под действием намагничивающей силы вокруг проводника с током возникает магнитный поток Ф. Если магнитный поток создается в магнитном сердечнике с обмоткой, имеющей w витков, то он образует с этой обмоткой потокосцепление:
.
Единица измерения – Вебер, Вб. Размерность В·с.
Размерность легко определить на основании закона электромагнитной индукции:
.
Магнитная индукция – В.
Характеризует плотность магнитного потока, приходящегося на единицу площади поперечного сечения S сердечника:
.
Единица измерения – Тесла, Тл. Размерность – Веберы на метр квадратный – Вб/м2 или В·с/м2.
Напряженность магнитного поля – Н.
Магнитное поле проводника с током характеризуется также напряженностью Н в каждой точке пронизываемого магнитным потоком пространства. Определяется на основании закона полного тока:
.
Сумма ампер-витков, пронизывающих некий замкнутый контур, равна интегралу по замкнутому контуру от H по dl, где l – длина контура. Здесь величины H и I векторные. Нетрудно видеть, что для одиночного проводника с током I в однородной среде на расстоянии r от проводника:
.
Напряженность в кольцевом сердечнике с обмоткой с числом витков и длиной средней силовой линии l будет:
.
Наименование единица напряженности не имеет. Размерность – ампер на метр, А/м.
Индуктивность.
Различные проводники или контуры, при прохождении по ним одинакового по величине тока, образуют различное потокосцепление. Свойство контуров с током образовывать потокосцепление характеризуется индуктивностью:
.
Это не что иное, как коэффициент пропорциональности между потокосцеплением и создавшим его током:
.
Измеряется в Генри, Гн. Размерность B∙c/A или Ом∙с.
Магнитная проницаемость.
В различных веществах при одной и той же напряженности Н создается различная по величине индукция:
.
Это свойство вещества характеризуется абсолютной магнитной проницаемостью mа. Чаще всего связь между Н и В устанавливают через относительную магнитную проницаемость m, которая показывает во сколько раз магнитная проницаемость вещества больше или меньше магнитной проницаемости вакуума m0:
или .
Следовательно, индукция в любой среде:
.
Для вакуума:
.
Размерность Вб/м2 м/А или Гн/м.
Это фундаментальная величина носит название магнитная постоянная.
Отметим, что напряженность внешнего магнитного поля не зависит от свойств среды, где создается магнитный поток. Магнитная же индукция определяется как напряженностью, так и свойствами среды.