Linije magnetnog polja su. Šta su linije magnetnog polja
Šta znamo o linijama sile magnetsko polje, pored toga što u lokalnom prostoru u blizini trajnih magneta ili strujnih provodnika postoji magnetsko polje koje se manifestuje u obliku linija sile, ili u poznatijoj kombinaciji - u obliku magnetnih linija sile ?
Postoji vrlo zgodan način dobiti jasnu sliku linija magnetnog polja koristeći željezne strugotine. Da biste to učinili, morate sipati malo željeznih strugotina na list papira ili kartona i donijeti jedan od polova magneta odozdo. Piljevina je magnetizirana i raspoređena duž linija magnetnog polja u obliku lanaca mikro magneta. U klasičnoj fizici, linije magnetnog polja se definiraju kao linije magnetskog polja, tangente na koje u svakoj tački ukazuju na smjer polja u toj tački.
Koristeći primjer nekoliko crteža s različitim rasporedom magnetnih linija sile, razmotrimo prirodu magnetskog polja oko vodiča sa strujom i trajnih magneta.
Na slici 1 prikazan je prikaz linija magnetske sile kružnog namotaja sa strujom, a na slici 2 prikazan je prikaz linija magnetske sile oko ravne žice sa strujom. Na slici 2, male magnetne igle se koriste umjesto piljevine. Ova slika pokazuje kako se, kada se promijeni smjer struje, mijenja i smjer linija magnetskog polja. Odnos između smjera struje i smjera linija magnetskog polja obično se određuje korištenjem "pravila vrčanja", čija će rotacija ručke pokazati smjer linija magnetskog polja ako se gimlet uvrne u pravcu struje.
Slika 3 prikazuje sliku linija magnetske sile šipkastog magneta, a slika 4 prikazuje sliku linija magnetske sile dugog solenoida sa strujom. Skreće se pažnja na sličnost spoljašnjeg položaja linija magnetnog polja na obe slike (sl. 3 i sl. 4). Linije sile s jednog kraja solenoida sa strujom protežu se do drugog na isti način kao i šipkasti magnet. Sam oblik linija magnetnog polja izvan solenoida sa strujom identičan je obliku linija šipkastog magneta. Solenoid koji vodi struju također ima sjeverni i južni pol i neutralnu zonu. Dva solenoida sa strujom ili solenoid i magnet međusobno djeluju kao dva magneta.
Šta možete vidjeti kada gledate slike magnetnih polja trajnih magneta, ravnih vodiča sa strujom ili zavojnica sa strujom pomoću željeznih strugotina? glavna karakteristika linije magnetnog polja, kao što pokazuju slike lokacije piljevine, ovo je njihova izolacija. Još jedna karakteristika linija magnetnog polja je njihova usmjerenost. Mala magnetna igla, postavljena u bilo kojoj tački magnetnog polja, sa svojim sjevernim polom pokazat će smjer magnetskih linija sile. Radi određenosti, složili smo se da pretpostavimo da linije magnetnog polja izlaze iz sjevernog magnetnog pola šipkastog magneta i ulaze u njegov južni pol. Lokalni magnetni prostor u blizini magneta ili vodiča sa strujom je kontinuirani elastični medij. Elastičnost ovog medija potvrđuju brojni eksperimenti, na primjer, kada se odbijaju istoimeni polovi trajnih magneta.
Još ranije sam pretpostavio da je magnetsko polje oko magneta ili provodnika sa strujom kontinuirani elastični medij s magnetskim svojstvima, u kojem se formiraju interferentni valovi. Neki od ovih talasa su zatvoreni. U tom kontinuiranom elastičnom mediju formira se interferentni obrazac linija magnetnog polja, koji se manifestuje upotrebom gvozdenih strugotina. Kontinuirani medij nastaje zračenjem izvora u mikrostrukturi materije.
Prisjetite se eksperimenata s interferencijom valova iz udžbenika fizike, u kojima oscilirajuća ploča s dva vrha udara u vodu. Ovaj eksperiment pokazuje da međusobno ukrštanje dvaju talasa pod različitim uglovima nema uticaja na njihovo dalje kretanje. Drugim rečima, talasi prolaze jedan kroz drugi bez daljeg uticaja na širenje svakog od njih. Za svjetlosne (elektromagnetne) valove vrijedi ista pravilnost.
Šta se dešava u onim prostorima u kojima se dva talasa ukrštaju (slika 5) - oni se nalažu jedan na drugi? Svaka čestica medija koja se nalazi na putu dva talasa istovremeno učestvuje u oscilacijama ovih talasa, tj. njegovo kretanje je zbir oscilacija dvaju talasa. Ove fluktuacije su obrazac interferentnih talasa sa svojim maksimumima i minimumima kao rezultat superpozicije dva ili više talasi, tj. zbrajanje njihovih oscilacija u svakoj tački medija kroz koju ovi talasi prolaze. Eksperimentima je utvrđeno da se fenomen interferencije uočava i za talase koji se šire u medijima i za elektromagnetnih talasa, odnosno interferencija je isključivo svojstvo talasa i ne zavisi ni od svojstava medija ni od njegovog prisustva. Treba imati na umu da interferencija talasa nastaje pod uslovom da su oscilacije koherentne (podudarne), tj. oscilacije moraju imati konstantnu faznu razliku i istu frekvenciju.
U našem slučaju sa gvozdenim strugama, linije magnetnog polja su linije sa najveći broj piljevina koja se nalazi na maksimumima interferentnih talasa, a linije sa manjom količinom strugotine nalaze se između maksimuma (na minimumima) interferentnih talasa.
Na osnovu gornje hipoteze, mogu se izvesti sljedeći zaključci.
1. Magnetno polje je medij koji se formira u blizini permanentni magnet ili provodnik sa strujom kao rezultat izvora zračenja u mikrostrukturi magneta ili provodnika pojedinačnih mikromagnetnih talasa.
2. Ovi mikromagnetski talasi međusobno deluju u svakoj tački magnetnog polja, formirajući interferencijski obrazac u obliku linija magnetne sile.
3. Mikromagnetski talasi su zatvoreni mikroenergetski vrtlozi sa mikro polovima koji mogu da se privlače jedni prema drugima, formirajući elastične zatvorene linije.
4. Mikroizvori u mikrostrukturi supstance koji emituju mikromagnetne talase, koji formiraju interferencijski obrazac magnetnog polja, imaju istu frekvenciju oscilovanja, a njihovo zračenje ima faznu razliku koja je konstantna u vremenu.
Kako se odvija proces magnetizacije tijela koji dovodi do stvaranja magnetskog polja oko njih, tj. koji se procesi odvijaju u mikrostrukturi magneta i provodnika sa strujom? Da bismo odgovorili na ovo i druga pitanja, potrebno je prisjetiti se nekih karakteristika strukture atoma.
MAGNETNO POLJE. OSNOVE UPRAVLJANJA FEROPONDAMA
Živimo u magnetnom polju Zemlje. Manifestacija magnetnog polja je da igla magnetskog kompasa stalno pokazuje smjer prema sjeveru. isti rezultat se može dobiti postavljanjem igle magnetnog kompasa između polova trajnog magneta (slika 34).
Slika 34 - Orijentacija magnetne igle u blizini polova magneta
Obično se jedan od polova magneta (južni) označava slovom S, drugo - (sjeverno) - pismo N. Slika 34 prikazuje dva položaja magnetne igle. U svakom položaju, suprotni polovi strelice i magneta se privlače. Stoga se smjer igle kompasa promijenio čim smo je pomaknuli iz pozicije 1 u poziciju 2 . Razlog za privlačenje magneta i okretanje strelice je magnetsko polje. Okretanje strelice dok se kreće gore i desno pokazuje da smjer magnetskog polja u različitim točkama u prostoru ne ostaje nepromijenjen.
Na slici 35 prikazan je rezultat eksperimenta sa magnetnim prahom posipanim po listu debelog papira, koji se nalazi iznad polova magneta. Može se vidjeti da čestice praha formiraju linije.
Čestice praha, ulazeći u magnetsko polje, magnetiziraju se. Svaka čestica ima sjeverni i južni pol. Obližnje čestice praha ne samo da rotiraju u polju magneta, već se i lijepe jedna za drugu, nižući se u linije. Ove linije se nazivaju linijama magnetnog polja.
Slika 35 Raspored čestica magnetnog praha na listu papira koji se nalazi iznad polova magneta
Postavljanjem magnetne igle blizu takve linije, možete vidjeti da se strelica nalazi tangencijalno. u brojevima 1 , 2 , 3 Slika 35 pokazuje orijentaciju magnetne igle u odgovarajućim tačkama. U blizini polova, gustina magnetnog praha je veća nego na drugim tačkama na listu. To znači da veličina magnetnog polja tamo ima maksimalnu vrijednost. Dakle, magnetsko polje u svakoj tački određeno je vrijednošću veličine koja karakterizira magnetsko polje i njegovim smjerom. Takve veličine se nazivaju vektori.
Postavimo čelični dio između polova magneta (slika 36). Smjer linija polja u dijelu prikazan je strelicama. U dijelu će se pojaviti i linije magnetnog polja, samo što će ih biti mnogo više nego u zraku.
Slika 36 Magnetiziranje dijela jednostavnog oblika
Činjenica je da čelični dio sadrži željezo, koje se sastoji od mikromagneta, koji se nazivaju domeni. Primjena magnetizirajućeg polja na detalje dovodi do toga da se oni počinju orijentirati u smjeru ovog polja i višestruko ga pojačavaju. Vidi se da su linije sila u dijelu paralelne jedna s drugom, dok je magnetsko polje konstantno. Magnetno polje, koje karakteriziraju prave paralelne linije sile povučene istom gustinom, naziva se homogeno.
10.2 Magnetne veličine
Najvažnija fizička veličina koja karakterizira magnetsko polje je vektor magnetske indukcije, koji se obično označava IN. Za svaku fizičku veličinu uobičajeno je navesti njenu dimenziju. Dakle, jedinica jačine struje je Amper (A), jedinica magnetne indukcije je Tesla (Tl). Magnetna indukcija u magnetiziranim dijelovima obično je u rasponu od 0,1 do 2,0 T.
Magnetna igla postavljena u jednolično magnetno polje će se rotirati. Moment sila koje ga okreću oko svoje ose proporcionalan je magnetskoj indukciji. Magnetna indukcija takođe karakteriše stepen magnetizacije materijala. Linije sile prikazane na slikama 34, 35 karakteriziraju promjenu magnetne indukcije u zraku i materijalu (detalji).
Magnetna indukcija određuje magnetsko polje u svakoj tački u prostoru. Da bi se okarakteriziralo magnetsko polje na nekoj površini (na primjer, u ravnini poprečnog presjeka dijela), koristi se druga fizička veličina, koja se naziva magnetski tok i označava se Φ.
Neka je jednoliko magnetizirani dio (slika 36) okarakterisan vrijednošću magnetne indukcije IN, površina poprečnog presjeka dijela je jednaka S, tada se magnetski fluks određuje formulom:
Jedinica magnetni fluks- Weber (Wb).
Razmotrimo primjer. Magnetna indukcija u dijelu je 0,2 T, površina poprečnog presjeka je 0,01 m 2. Tada je magnetni fluks 0,002 Wb.
Postavimo dugu cilindričnu gvozdenu šipku u jednolično magnetno polje. Neka se os simetrije štapa poklapa sa smjerom linija sile. Tada će štap biti magnetiziran gotovo svuda ujednačeno. Magnetska indukcija u štapu bit će mnogo veća nego u zraku. Odnos magnetne indukcije u materijalu B m na magnetnu indukciju u vazduhu u in naziva se magnetna permeabilnost:
μ=B m / B in. (10.2)
Magnetna permeabilnost je bezdimenzionalna veličina. Za različite vrste čelika, magnetna permeabilnost se kreće od 200 do 5.000.
Magnetna indukcija ovisi o svojstvima materijala, što otežava tehničke proračune magnetnih procesa. Stoga je uvedena pomoćna veličina koja ne ovisi o magnetskim svojstvima materijala. Zove se vektor magnetnog polja i označava se H. Jedinica jačine magnetnog polja je Amper/metar (A/m). Tokom nedestruktivnog magnetnog ispitivanja delova, jačina magnetnog polja varira od 100 do 100.000 A/m.
Između magnetne indukcije u in i jačina magnetnog polja H u vazduhu postoji jednostavan odnos:
V v =μ 0 H, (10.3)
Gdje μ 0 = 4π 10 –7 Henry/metar - magnetna konstanta.
Jačina magnetnog polja i magnetna indukcija u materijalu su povezane odnosom:
B=μμ 0 H (10,4)
Jačina magnetnog polja H - vektor. U ispitivanju fluxgate-a potrebno je odrediti komponente ovog vektora na površini dijela. Ove komponente se mogu odrediti pomoću slike 37. Ovdje se površina dijela uzima kao ravan xy, osa z okomito na ovu ravan.
Slika 1.4 sa vrha vektora H pao okomito na ravan x,y. Vektor se povlači od početka koordinata do tačke preseka okomice i ravni H što se naziva tangencijalna komponenta jačine magnetnog polja vektora H . Ispuštanje okomica iz vrha vektora H na osi x I y, definirati projekcije H x I h y vektor H. Projekcija H po osovini z naziva se normalna komponenta jačine magnetnog polja H n . U magnetskom ispitivanju najčešće se mjere tangencijalna i normalna komponenta jačine magnetnog polja.
Slika 37 Vektor magnetskog polja i njegova projekcija na površinu dijela
10.3 Kriva magnetizacije i petlja histereze
Razmotrimo promjenu magnetske indukcije inicijalno demagnetiziranog feromagnetnog materijala uz postupno povećanje jakosti vanjskog magnetskog polja. Grafikon koji odražava ovu zavisnost prikazan je na slici 38 i naziva se početna krivulja magnetizacije. U području slabih magnetnih polja, nagib ove krivulje je relativno mali, a zatim počinje da raste, dostižući maksimalnu vrijednost. Pri još većim vrijednostima jačine magnetskog polja, nagib se smanjuje tako da promjena magnetne indukcije postaje neznatna s povećanjem polja - dolazi do magnetnog zasićenja, koje karakterizira vrijednost B S. Na slici 39 prikazana je zavisnost magnetne permeabilnosti od jačine magnetnog polja. Ovu ovisnost karakteriziraju dvije vrijednosti: početna μ n i maksimalna μ m magnetna permeabilnost. U području jakih magnetnih polja, permeabilnost opada sa povećanjem polja. Daljnjim povećanjem vanjskog magnetskog polja, magnetizacija uzorka se praktički ne mijenja, a magnetska indukcija raste samo zbog vanjskog polja .
Slika 38 Kriva početne magnetizacije
Slika 39. Ovisnost permeabilnosti od jačine magnetnog polja
Indukcija magnetnog zasićenja B S zavisi uglavnom od hemijski sastav materijala i za konstrukcijske i električne čelike je 1,6-2,1 T. Magnetna permeabilnost ne zavisi samo od hemijskog sastava, već i od termičke i mehaničke obrade.
.
Slika 40 Granične (1) i parcijalne (2) petlje histereze
Prema veličini koercitivne sile, magnetni materijali se dijele na meke magnetne (H c< 5 000 А/м) и магнитотвердые (H c >5 000 A/m).
Za meke magnetne materijale potrebna su relativno mala polja da bi se postiglo zasićenje. Tvrde magnetne materijale je teško magnetizirati i remagnetizirati.
Većina konstrukcijskih čelika su meki magnetni materijali. Za električni čelik i posebne legure prisilna sila je 1-100 A / m, za konstrukcijske čelike - ne više od 5.000 A / m. Priključeni uređaji sa trajnim magnetima koriste tvrde magnetne materijale.
Tokom preokretanja magnetizacije, materijal je ponovo zasićen, ali vrijednost indukcije ima drugačiji predznak (- B S) što odgovara negativnoj jačini magnetnog polja. Uz naknadno povećanje jačine magnetnog polja prema pozitivnim vrijednostima, indukcija će se promijeniti duž druge krive, koja se naziva uzlaznom granom petlje. Obje grane: silazna i uzlazna, formiraju zatvorenu krivulju, nazvanu granična magnetna histerezna petlja. Granična petlja ima simetričan oblik i odgovara maksimalnoj vrijednosti magnetne indukcije jednakoj B S. Sa simetričnom promjenom jačine magnetskog polja u manjim granicama, indukcija će se mijenjati duž nove petlje. Ova petlja se u potpunosti nalazi unutar granične petlje i naziva se simetrična parcijalna petlja (slika 40).
Parametri granične petlje magnetske histereze igraju važnu ulogu u kontroli fluxgate-a. At visoke vrijednosti zaostalu indukciju i koercitivnu silu, moguće je kontrolisati prethodnim magnetiziranjem materijala dijela do zasićenja, nakon čega slijedi gašenje izvora polja. Magnetizacija dijela bit će dovoljna za otkrivanje nedostataka.
Istovremeno, fenomen histereze dovodi do potrebe kontrole magnetskog stanja. U nedostatku demagnetizacije, materijal dijela može biti u stanju koje odgovara indukciji - B r . Zatim, uključivanjem magnetnog polja pozitivnog polariteta, na primjer, jednako Hc, možete čak i demagnetizirati dio, iako bismo ga trebali magnetizirati.
Magnetna permeabilnost je takođe važna. Više μ , što je manja potrebna vrijednost jačine magnetnog polja za magnetiziranje dijela. Zbog toga tehničke specifikacije uređaj za magnetiziranje mora biti u skladu s magnetnim parametrima ispitnog objekta.
10.4 Magnetno lutajuće polje defekata
Magnetno polje neispravnog dijela ima svoje karakteristike. Uzmite magnetizirani čelični prsten (dio) s uskim razmakom. Ovaj zazor se može smatrati nedostatkom dijela. Ako prsten prekrijete listom papira napunjenim magnetnim prahom, možete vidjeti sliku sličnu onoj prikazanoj na slici 35. List papira se nalazi izvan prstena, a u međuvremenu se čestice praha redaju duž određenih linija. Dakle, linije sile magnetskog polja djelimično prolaze izvan dijela, teče oko defekta. Ovaj dio magnetnog polja naziva se defektno lutajuće polje.
Na slici 41 prikazana je duga pukotina u dijelu, koja se nalazi okomito na linije magnetskog polja, i uzorak linija polja u blizini defekta.
Slika 41 Strujanje oko površinske pukotine pomoću linija sile
Može se vidjeti da linije magnetskog polja teku oko pukotine unutar dijela i izvan njega. Formiranje lutajućeg magnetnog polja podzemnim defektom može se objasniti pomoću slike 42, koja prikazuje presjek magnetiziranog dijela. Linije polja magnetne indukcije odnose se na jedan od tri preseka poprečnog preseka: iznad defekta, u zoni defekta i ispod defekta. Proizvod magnetne indukcije i površine poprečnog presjeka određuje magnetni tok. Komponente ukupnog magnetnog fluksa u ovim područjima su označene kao Φ 1 ,.., Dio magnetnog fluksa F 2, će teći iznad i ispod sekcije S2. Dakle, magnetni tokovi u poprečnim presjecima S1 I S3 bit će veća od dijela bez kvarova. Isto se može reći i za magnetnu indukciju. Drugi važna karakteristika polja magnetne indukcije je njihova zakrivljenost iznad i ispod defekta. Kao rezultat toga, neke od linija sile izlaze iz dijela, stvarajući magnetsko lutajuće polje defekta.
3 .
Slika 42 Zalutalo polje podzemnog defekta
Zalutalo magnetsko polje može se kvantificirati magnetskim fluksom koji napušta dio, što se naziva lutajući tok. Magnetni fluks curenja je veći, što je veći magnetni tok Φ2 u sekciji S2. Površina poprečnog presjeka S2 proporcionalno kosinusu ugla , prikazano na slici 42. Na = 90° ova površina je jednaka nuli, na =0° to je najvažnije.
Dakle, da bi se otkrili nedostaci, potrebno je da linije sile magnetske indukcije u kontrolnoj zoni dijela budu okomite na ravninu navodnog defekta.
Raspodjela magnetskog fluksa po presjeku neispravnog dijela slična je raspodjeli protoka vode u kanalu sa barijerom. Visina talasa u zoni potpuno potopljene barijere biće to veća što je vrh barijere bliži površini vode. Slično tome, podzemni defekt dijela je lakše otkriti što je manja dubina njegovog pojavljivanja.
10.5 Detekcija kvara
Da bi se otkrili defekti, potreban je uređaj koji omogućava određivanje karakteristika lutajućeg polja defekta. Ovo magnetsko polje se može odrediti iz komponenti H x, H y, H z.
Međutim, zalutala polja mogu biti uzrokovana ne samo defektom, već i drugim faktorima: strukturnom nehomogenošću metala, oštrom promjenom poprečnog presjeka (detaljno složenog oblika), mašinska obrada, udari, hrapavost površine itd. Stoga je analiza zavisnosti čak i jedne projekcije (npr. hz) iz prostorne koordinate ( x ili y) može biti težak zadatak.
Razmotrite zalutalo magnetno polje u blizini defekta (slika 43). Ovdje je prikazana idealizirana beskonačno duga pukotina sa glatkim ivicama. Izdužena je duž ose y, koji je na slici usmjeren prema nama. Brojevi 1, 2, 3, 4 pokazuju kako se veličina i smjer vektora jačine magnetskog polja mijenjaju kada se pukotini približavaju s lijeve strane.
Slika 43 Zalutalo magnetno polje u blizini defekta
Magnetno polje se mjeri na određenoj udaljenosti od površine dijela. Putanja duž koje se vrše mjerenja prikazana je isprekidanom linijom. Veličine i smjerovi vektora desno od pukotine mogu se konstruirati na sličan način (ili koristiti simetriju slike). Desno od slike lutajućeg polja, primjer prostornog položaja vektora H i dvije njegove komponente H x I hz . Grafičke zavisnosti projekcije H x I hz zalutala polja iz koordinate x prikazano ispod.
Čini se da se traženjem ekstrema H x ili nula H z može pronaći defekt. Ali, kao što je gore navedeno, zalutala polja nastaju ne samo od defekata, već i od strukturnih nehomogenosti metala, od tragova mehaničkih utjecaja itd.
Razmotrimo pojednostavljenu sliku formiranja lutajućih polja na jednostavnom dijelu (slika 44) slično onom prikazanom na slici 41, i grafove projekcijskih ovisnosti H z , H x od koordinate x(defekt je izdužen duž ose y).
Grafovi zavisnosti H x I hz od x vrlo je teško otkriti defekt, budući da su vrijednosti ekstrema H x I hz preko defekta i preko nehomogenosti su uporedivi.
Izlaz je pronađen kada je utvrđeno da je u području defekta maksimalna brzina promjene (strmina) jačine magnetnog polja neke koordinate veća od drugih maksimuma.
Slika 44 pokazuje da je maksimalni nagib grafika H z (x) između tačaka x 1 I x2(tj. u području defekta) je mnogo veći nego na drugim mjestima.
Dakle, uređaj treba da meri ne projekciju jačine polja, već „brzinu“ njegove promene, tj. omjer razlike projekcije u dvije susjedne točke iznad površine dijela i udaljenosti između ovih tačaka:
(10.5)
Gdje H z (x 1), H z (x 2)- vrijednosti vektorske projekcije H po osovini z u tačkama x 1 , x 2(lijevo i desno od defekta), Gz(x) obično se naziva gradijent magnetskog polja.
Ovisnost Gz(x) prikazano na slici 44. Udaljenost Dx \u003d x 2 - x 1 između tačaka u kojima se mjere vektorske projekcije H po osovini z, se bira uzimajući u obzir dimenzije lutajućeg polja defekta.
Kao što slijedi sa slike 44, što je u dobrom skladu s praksom, vrijednost gradijenta preko defekta je znatno veća od njegove vrijednosti nad nehomogenostima metala dijela. To je ono što omogućava pouzdano registrovanje defekta prekoračenjem granične vrijednosti za gradijent (Slika 44).
Odabirom potrebne granične vrijednosti moguće je svesti greške upravljanja na minimalne vrijednosti.
Slika 44. Linije sila magnetskog polja defekta i nehomogenosti metalnog dijela.
10.6 Metoda ferosonde
Metoda fluxgate-a zasniva se na mjerenju gradijenta jačine zalutalog magnetnog polja nastalog defektom u magnetiziranom proizvodu sa fluxgate uređajem i poređenju rezultata mjerenja sa pragom.
Izvan kontroliranog dijela postoji određeno magnetsko polje koje se stvara da ga magnetizira. Upotreba detektora grešaka - gradiometra osigurava odabir signala uzrokovanog defektom na pozadini prilično velike komponente jačine magnetskog polja koja se polako mijenja u prostoru.
Detektor greške sa fluxgate-om koristi pretvarač koji reaguje na komponentu gradijenta normalne komponente jačine magnetnog polja na površini dela. Pretvornik za detektor grešaka sadrži dvije paralelne šipke izrađene od posebne meke magnetske legure. Prilikom pregleda, šipke su okomite na površinu dijela, tj. su paralelne sa normalnom komponentom jačine magnetnog polja. Šipke imaju identične namote kroz koje teče naizmjenična struja. Ovi namotaji su povezani serijski. Naizmjenična struja stvara promjenjive komponente jačine magnetnog polja u štapovima. Ove komponente se poklapaju po veličini i smjeru. Osim toga, postoji konstantna komponenta jačine magnetskog polja dijela na lokaciji svake šipke. Vrijednost Δx, koja je uključena u formulu (10.5), jednaka je udaljenosti između osa štapova i naziva se baza pretvarača. Izlazni napon pretvarača je određen razlikom između naizmjeničnih napona na namotajima.
Postavimo pretvarač detektora grešaka na presek dela bez defekta, gde su vrednosti jačine magnetnog polja u tačkama x 1; x 2(vidi formulu (10.5)) su isti. To znači da je gradijent jačine magnetnog polja nula. Tada će iste konstantne i promjenjive komponente jačine magnetskog polja djelovati na svaki štap pretvarača. Ove komponente će podjednako remagnetizirati šipke, tako da su naponi na namotajima međusobno jednaki. Razlika napona koja definira izlazni signal je nula. Dakle, pretvarač detektora nedostataka ne reaguje na magnetsko polje ako nema gradijenta.
Ako gradijent jačine magnetnog polja nije jednak nuli, tada će štapovi biti u istom naizmjeničnom magnetskom polju, ali će konstantne komponente biti različite. Svaki štap se remagnetizira naizmjeničnom strujom namotaja iz stanja s magnetskom indukcijom - U S do + U S Po zakonu elektromagnetna indukcija napon na namotu može se pojaviti samo kada se promijeni magnetna indukcija. Stoga se period oscilacija naizmjenične struje može podijeliti na intervale kada je štap u zasićenju i samim tim je napon na namotu nula, i na vremenske intervale kada nema zasićenja, što znači da je napon različit od nule. . U onim vremenskim razdobljima kada obje šipke nisu magnetizirane do zasićenja, na namotima se pojavljuju isti naponi. U ovom trenutku, izlazni signal je nula. Isto će se dogoditi s istovremenim zasićenjem obje šipke, kada nema napona na namotajima. Izlazni napon se pojavljuje kada je jedno jezgro u zasićenom stanju, a drugo u nezasićenom stanju.
Istodobno djelovanje konstantne i promjenjive komponente jačine magnetskog polja dovodi do činjenice da je svako jezgro u jednom zasićenom stanju duže od dugo vrijeme nego u drugom. Duže zasićenje odgovara sabiranju konstantnih i varijabilnih komponenti jačine magnetnog polja, a kraćem - oduzimanju. Razlika između vremenskih intervala koji odgovaraju vrijednostima magnetne indukcije + U S i - U S, zavisi od jačine konstantnog magnetnog polja. Razmotrimo stanje s magnetskom indukcijom + U S na dvije šipke pretvarača. Različite vrijednosti jačine magnetnog polja u tačkama x 1 I x 2 odgovarat će različitom trajanju intervala magnetskog zasićenja štapova. Što je veća razlika između ovih vrijednosti jačine magnetskog polja, to se vremenski intervali više razlikuju. U onim vremenskim periodima kada je jedan štap zasićen, a drugi nezasićen, javlja se izlazni napon pretvarača. Ovaj napon zavisi od gradijenta jačine magnetnog polja.
Prije otprilike dvije i po hiljade godina, ljudi su otkrili da neko prirodno kamenje ima sposobnost da privuče željezo. Ovo svojstvo objašnjeno je prisustvom žive duše u ovom kamenju i određenom "ljubavlju" prema gvožđu.
Danas već znamo da su ovo kamenje prirodni magneti, a magnetsko polje, a nikako posebna lokacija za peglanje, stvara te efekte. Magnetno polje je posebna vrsta materije koja se razlikuje od materije i postoji oko magnetiziranih tijela.
trajni magneti
Prirodni magneti, ili magnetiti, nemaju jako jaka magnetna svojstva. Ali čovjek je naučio da stvara umjetne magnete koji imaju mnogo veću snagu magnetnog polja. Izrađene su od specijalnih legura i magnetizirane vanjskim magnetskim poljem. Nakon toga, možete ih koristiti samostalno.
Linije magnetnog polja
Svaki magnet ima dva pola, zovu se sjeverni i južni pol. Na polovima je koncentracija magnetnog polja maksimalna. Ali između polova, magnetsko polje se također nalazi ne proizvoljno, već u obliku pruga ili linija. Zovu se linije magnetnog polja. Otkrivanje ih je prilično jednostavno - samo stavite rasute željezne strugotine u magnetsko polje i lagano ih protresite. Oni neće biti locirani proizvoljno, već će formirati, takoreći, uzorak linija koje počinju na jednom polu i završavaju na drugom. Ove linije, takoreći, izlaze iz jednog pola i ulaze u drugi.
Gvozdena strugotina u polju magneta se sama magnetizira i postavlja duž sile magnetne linije. Ovako radi kompas. Naša planeta je veliki magnet. Igla kompasa hvata Zemljino magnetsko polje i, okrećući se, nalazi se duž linija sile, pri čemu je jedan kraj usmjeren na sjeverni magnetni pol, a drugi na južni. Zemljini magnetski polovi su malo udaljeni od geografskog područja, ali kada se udaljite od polova, ovo nije od velikog značaja, i možemo ih smatrati identičnima.
Varijabilni magneti
Opseg magneta u našem vremenu je izuzetno širok. Mogu se naći unutar elektromotora, telefona, zvučnika, radija. Čak i u medicini, na primjer, kada osoba proguta iglu ili drugi željezni predmet, može se ukloniti bez operacije magnetskom sondom.
Dakle, indukcija magnetskog polja na osi kružne zavojnice sa strujom opada obrnuto proporcionalno trećoj potenciji udaljenosti od centra zavojnice do točke na osi. Vektor magnetske indukcije na osi zavojnice je paralelan sa osi. Njegov smjer se može odrediti pomoću desnog vijka: ako usmjerite desni vijak paralelno s osi zavojnice i zarotirate ga u smjeru struje u zavojnici, tada će smjer translacijskog kretanja vijka pokazati smjer vektora magnetske indukcije.
3.5 Linije magnetnog polja
Magnetno polje, kao i elektrostatičko, prikladno je predstavljeno u grafičkom obliku - pomoću linija magnetnog polja.
Linija sile magnetskog polja je linija čija se tangenta u svakoj tački poklapa sa smjerom vektora magnetske indukcije.
Linije sile magnetskog polja su povučene na način da je njihova gustina proporcionalna veličini magnetske indukcije: što je veća magnetna indukcija u određenoj tački, to je veća gustina linija sile.
Dakle, linije magnetnog polja su slične linijama elektrostatičkog polja.
Međutim, oni imaju i neke posebnosti.
Zamislite magnetsko polje koje stvara pravi provodnik sa strujom I.
Neka je ovaj provodnik okomit na ravan figure.
U različitim tačkama koje se nalaze na istoj udaljenosti od vodiča, indukcija je jednaka po veličini.
vektorski pravac IN na različitim tačkama prikazanim na slici.
Prava, tangenta na koju se u svim tačkama poklapa sa smjerom vektora magnetske indukcije, je kružnica.
Stoga su linije magnetnog polja u ovom slučaju kružnice koje okružuju provodnik. Centri svih linija sila nalaze se na provodniku.
Dakle, linije sile magnetskog polja su zatvorene (linije sile elektrostatičkog polja ne mogu se zatvoriti, one počinju i završavaju se na nabojima).
Stoga je magnetno polje eddy(tzv. polja čije su linije sile zatvorene).
Zatvorenost linija sile znači još jednu, vrlo važnu osobinu magnetnog polja – u prirodi nema (barem još neotkrivenih) magnetnih naboja koji bi bili izvor magnetnog polja određenog polariteta.
Dakle, ne postoji odvojeno postojeći sjeverni ili južni magnetni pol magneta.
Čak i ako vidite trajni magnet na pola, dobićete dva magneta, od kojih svaki ima oba pola.
3.6. Lorencova sila
Eksperimentalno je utvrđeno da sila djeluje na naboj koji se kreće u magnetskom polju. Ova sila se zove Lorentzova sila:
.
Modul Lorentzove sile
|
|
,
gdje je a ugao između vektora v I B .
Smjer Lorentzove sile ovisi o smjeru vektora. Može se odrediti pomoću pravila desnog zavrtnja ili pravila lijeve ruke. Ali smjer Lorentzove sile ne mora se podudarati sa smjerom vektora!
Stvar je u tome da je Lorentzova sila jednaka rezultatu proizvoda vektora [ v , IN ] na skalar q. Ako je naboj pozitivan, onda F l je paralelan vektoru [ v , IN ]. Ako q< 0, то сила Лоренца противоположна направлению вектора [v , IN ] (vidi sliku).
Ako se nabijena čestica kreće paralelno sa linijama magnetskog polja, tada je ugao a između vektora brzine i magnetske indukcije jednak nuli. Dakle, Lorentzova sila ne djeluje na takav naboj (sin 0 = 0, F l = 0).
Ako se naboj kreće okomito na linije magnetskog polja, tada je ugao a između vektora brzine i magnetske indukcije 90 0 . U ovom slučaju, Lorentzova sila ima najveću moguću vrijednost: F l = q v B.
Lorentzova sila je uvijek okomita na brzinu naboja. To znači da Lorentzova sila ne može promijeniti veličinu brzine kretanja, već mijenja svoj smjer.
Stoga će se u jednoličnom magnetskom polju naboj koji je uletio u magnetsko polje okomito na njegove linije sile kretati u krug.
Ako na naboj djeluje samo Lorentzova sila, tada kretanje naboja ispunjava sljedeću jednačinu, sastavljenu na osnovu drugog Newtonovog zakona: ma = F l.
Budući da je Lorentzova sila okomita na brzinu, ubrzanje nabijene čestice je centripetalno (normalno): (ovdje R je polumjer zakrivljenosti putanje nabijene čestice).
Bez sumnje, linije magnetnog polja sada su svima poznate. Barem se čak iu školi njihova manifestacija pokazuje na časovima fizike. Sjećate li se kako je učitelj stavio trajni magnet (ili čak dva, kombinirajući orijentaciju njihovih polova) ispod lista papira, a na njega je sipao metalne strugotine uzete u učionici za radnu obuku? Sasvim je jasno da se metal morao držati na lim, ali je uočeno nešto čudno - jasno su se iscrtale linije duž kojih se nizala piljevina. Obratite pažnju - ne ravnomerno, već u prugama. Ovo su linije magnetnog polja. Ili bolje rečeno, njihova manifestacija. Šta se tada dogodilo i kako se to može objasniti?
Počnimo izdaleka. Zajedno s nama u vidljivom fizičkom svijetu koegzistira posebna vrsta materije – magnetsko polje. Omogućava interakciju između kretanja elementarne čestice ili veća tijela sa električni naboj ili prirodni električni i ne samo da su međusobno povezani, već često i sami stvaraju. Na primjer, nošenje žice struja stvara magnetno polje oko sebe. Vrijedi i obrnuto: djelovanje naizmjeničnih magnetnih polja na zatvoreni provodni krug stvara kretanje nosilaca naboja u njemu. Ovo posljednje svojstvo se koristi u generatorima koji opskrbljuju električnom energijom sve potrošače. Upečatljiv primjer elektromagnetnih polja je svjetlost.
Linije sile magnetskog polja oko provodnika rotiraju ili, što je takođe tačno, karakteriše usmereni vektor magnetne indukcije. Smjer rotacije je određen pravilom gimleta. Označene linije su konvencija, jer se polje ravnomjerno širi u svim smjerovima. Stvar je u tome što se može predstaviti kao beskonačan broj linija, od kojih neke imaju izraženiju napetost. Zato su neke „linije“ jasno ucrtane u piljevini. Zanimljivo je da se linije sile magnetnog polja nikada ne prekidaju, pa je nemoguće nedvosmisleno reći gdje je početak, a gdje kraj.
U slučaju stalnog magneta (ili njemu sličnog elektromagneta), uvijek postoje dva pola, konvencionalno nazvana Sjever i Jug. Linije koje se spominju u ovom slučaju su prstenovi i ovali koji povezuju oba pola. Ponekad se to opisuje u terminima interakcijskih monopola, ali tada se javlja kontradikcija prema kojoj se monopoli ne mogu razdvojiti. To jest, svaki pokušaj podjele magneta rezultirat će nekoliko bipolarnih dijelova.
Od velikog su interesa svojstva linija sile. Već smo govorili o kontinuitetu, ali sposobnost stvaranja električne struje u vodiču je od praktičnog interesa. Značenje ovoga je sljedeće: ako je provodni krug presečen linijama (ili se sam provodnik kreće u magnetskom polju), tada se elektronima u vanjskim orbitama atoma materijala prenosi dodatna energija, što im omogućava započeti samostalno usmjereno kretanje. Može se reći da se čini da magnetno polje „izbija“ nabijene čestice iz kristalne rešetke. Ovaj fenomen se naziva elektromagnetna indukcija i trenutno je glavni način dobijanja primarne električna energija. Otkrio ga je eksperimentalno 1831. godine engleski fizičar Michael Faraday.
Proučavanje magnetnih polja počelo je još 1269. godine, kada je P. Peregrine otkrio interakciju sfernog magneta sa čeličnim iglama. Skoro 300 godina kasnije, W. G. Colchester je sugerirao da je on sam bio ogroman magnet sa dva pola. Nadalje, magnetske fenomene proučavali su poznati naučnici kao što su Lorentz, Maxwell, Ampere, Einstein, itd.
