Magnetische veldlijnen zijn. Wat zijn magnetische veldlijnen?

Wat weten we over krachtlijnen? magnetisch veld, naast het feit dat er in de lokale ruimte nabij permanente magneten of geleiders met stroom een magnetisch veld is dat zich manifesteert in de vorm van krachtlijnen, of in een meer bekende combinatie - in de vorm van magnetische krachtlijnen?

Er is een zeer handige manier krijg een duidelijk beeld van de magnetische veldlijnen met behulp van ijzervijlsel. Om dit te doen, moet je een beetje ijzervijlsel op een vel papier of karton gieten en een van de polen van de magneet van onderaf halen. Het zaagsel wordt gemagnetiseerd en langs de magnetische veldlijnen gerangschikt in de vorm van kettingen van micromagneten. In de klassieke natuurkunde worden magnetische veldlijnen gedefinieerd als lijnen van een magnetisch veld, waarvan de raaklijnen op elk punt de richting van het veld op dat punt aangeven.

Laten we bij het voorbeeld van verschillende tekeningen met verschillende rangschikkingen van magnetische krachtlijnen eens kijken naar de aard van het magnetische veld rond stroomvoerende geleiders en permanente magneten.

Figuur 1 toont een aanzicht van de magnetische krachtlijnen van een cirkelvormige spoel met stroom, en figuur 2 toont een afbeelding van magnetische krachtlijnen rond een rechte draad met stroom. In Fig. 2 worden kleine magnetische naalden gebruikt in plaats van zaagsel. Deze figuur laat zien hoe wanneer de richting van de stroom verandert, ook de richting van de magnetische veldlijnen verandert. De relatie tussen de richting van de stroom en de richting van de magnetische veldlijnen wordt meestal bepaald met behulp van de "regel van de gimlet", waarvan de rotatie van het handvat de richting van de magnetische veldlijnen zal aangeven als de gimlet wordt vastgeschroefd in de richting van de stroom.

Figuur 3 toont een afbeelding van de magnetische krachtlijnen van een staafmagneet, en figuur 4 toont een afbeelding van de magnetische krachtlijnen van een lange solenoïde met stroom. De aandacht wordt gevestigd op de gelijkenis van de externe locatie van de magnetische veldlijnen in beide figuren (Fig. 3 en Fig. 4). De krachtlijnen van het ene uiteinde van de stroomvoerende solenoïde strekken zich op dezelfde manier uit naar het andere als een staafmagneet. De vorm van de magnetische veldlijnen buiten de solenoïde met stroom is identiek aan de vorm van de lijnen van een staafmagneet. Een stroomvoerende solenoïde heeft ook noord- en zuidpolen en een neutrale zone. Twee stroomvoerende solenoïdes of een solenoïde en een magneet werken samen als twee magneten.

Wat kun je zien als je afbeeldingen bekijkt van de magnetische velden van permanente magneten, rechte stroomvoerende geleiders of stroomvoerende spoelen met ijzervijlsel? belangrijkste kenmerk magnetische veldlijnen, zoals de foto's van de locatie van het zaagsel laten zien, is dit hun isolatie. Een ander kenmerk van magnetische veldlijnen is hun gerichtheid. Een kleine magnetische naald die op een willekeurig punt in het magnetische veld wordt geplaatst, geeft de richting van de magnetische veldlijnen aan met zijn noordpool. Voor de zekerheid zijn we overeengekomen om aan te nemen dat de magnetische veldlijnen afkomstig zijn van de magnetische noordpool van een staafmagneet en de zuidpool binnengaan. De lokale magnetische ruimte nabij magneten of geleiders met stroom is een continu elastisch medium. De elasticiteit van dit medium wordt bevestigd door talrijke experimenten, bijvoorbeeld wanneer soortgelijke polen van permanente magneten worden afgestoten.

Al eerder veronderstelde ik dat het magnetische veld rond magneten of stroomvoerende geleiders een continu elastisch medium is met magnetische eigenschappen, waarin interferentiegolven worden gevormd. Sommige van deze golven zijn gesloten. Het is in dit continue elastische medium dat een interferentiepatroon van magnetische krachtlijnen wordt gevormd, dat zich manifesteert door het gebruik van ijzervijlsel. Door de straling van bronnen in de microstructuur van materie ontstaat een continu medium.

Denk aan de experimenten met golfinterferentie uit een natuurkundeboek, waarin een oscillerende plaat met twee punten het water raakt. Dit experiment laat zien dat het onderlinge snijpunt onder verschillende hoeken van twee golven geen effect heeft op hun verdere beweging. Met andere woorden, de golven gaan door elkaar heen zonder de voortplanting van elk van hen verder te beïnvloeden. Voor lichte (elektromagnetische) golven geldt dezelfde regelmaat.

Wat gebeurt er in die gebieden van de ruimte waar twee golven elkaar kruisen (Fig. 5) - ze zijn op elkaar gesuperponeerd? Elk deeltje van het medium dat zich in het pad van twee golven bevindt, neemt tegelijkertijd deel aan de oscillaties van deze golven, d.w.z. zijn beweging is de som van de trillingen van twee golven. Deze fluctuaties zijn een patroon van interferentiegolven met hun maxima en minima als gevolg van de superpositie van twee of meer golven, d.w.z. optelling van hun oscillaties op elk punt van het medium waardoor deze golven gaan. Experimenten hebben aangetoond dat het fenomeen interferentie zowel wordt waargenomen voor golven die zich in media voortplanten als voor elektromagnetische golven, dat wil zeggen, interferentie is uitsluitend een eigenschap van golven en is niet afhankelijk van de eigenschappen van het medium of van zijn aanwezigheid. Er moet aan worden herinnerd dat golfinterferentie optreedt onder de voorwaarde dat de oscillaties coherent (op elkaar afgestemd) zijn, d.w.z. oscillaties moeten een constant faseverschil en dezelfde frequentie hebben.

In ons geval met ijzervijlsel zijn de magnetische veldlijnen lijnen met het grootste aantal zaagsel bevindt zich bij de maxima van de interferentiegolven en lijnen met een kleiner aantal zaagsel bevinden zich tussen de maxima (bij de minima) van de interferentiegolven.

Op basis van bovenstaande hypothese kunnen de volgende conclusies worden getrokken.

1. Een magnetisch veld is een medium dat zich nabij . vormt permanente magneet of geleider met stroom als gevolg van stralingsbronnen in de microstructuur van de magneet of geleider van individuele micromagnetische golven.

2. Deze micromagnetische golven interageren op elk punt van het magnetische veld en vormen een interferentiepatroon in de vorm van magnetische krachtlijnen.

3. Micromagnetische golven zijn gesloten micro-energiewervelingen met micropolen die tot elkaar kunnen worden aangetrokken en elastische gesloten lijnen vormen.

4. Microbronnen in de microstructuur van een stof die micromagnetische golven uitzenden, die een interferentiepatroon van een magnetisch veld vormen, hebben dezelfde trillingsfrequentie en hun straling heeft een in de tijd constant faseverschil.

Hoe verloopt het proces van magnetisatie van lichamen, wat leidt tot de vorming van een magnetisch veld eromheen, d.w.z. welke processen vinden plaats in de microstructuur van magneten en stroomvoerende geleiders? Om deze en andere vragen te beantwoorden, is het noodzakelijk om enkele kenmerken van de structuur van het atoom in herinnering te brengen.

EEN MAGNETISCH VELD. BASIS VAN FERROPROBE-CONTROLE

We leven in het magnetisch veld van de aarde. De manifestatie van het magnetische veld is dat de naald van het magnetische kompas constant de richting naar het noorden aangeeft. hetzelfde resultaat kan worden verkregen door de magnetische kompasnaald tussen de polen van een permanente magneet te plaatsen (Figuur 34).

Figuur 34 - Oriëntatie van de magnetische naald nabij de polen van de magneet

Gewoonlijk wordt een van de polen van de magneet (zuid) aangegeven met de letter S, een andere - (noordelijke) - letter N. Figuur 34 toont twee posities van de magnetische naald. In elke positie worden de tegenovergestelde polen van de pijl en de magneet aangetrokken. Daarom veranderde de richting van de kompasnaald zodra we deze van de positie bewogen 1 in positie 2 . De reden voor de aantrekkingskracht op de magneet en de draai van de pijl is het magnetische veld. Als je de pijl naar boven en naar rechts draait, zie je dat de richting van het magnetische veld op verschillende punten in de ruimte niet ongewijzigd blijft.

Figuur 35 toont het resultaat van een experiment met magnetisch poeder gestrooid op een vel dik papier, dat zich boven de polen van een magneet bevindt. Het is te zien dat de poederdeeltjes lijnen vormen.

Poederdeeltjes die in een magnetisch veld terechtkomen, worden gemagnetiseerd. Elk deeltje heeft een noord- en zuidpool. Nabijgelegen poederdeeltjes roteren niet alleen in het veld van de magneet, maar kleven ook aan elkaar en vormen lijnen. Deze lijnen worden magnetische veldlijnen genoemd.

Figuur 35 Opstelling van magnetische poederdeeltjes op een vel papier dat zich boven de polen van een magneet bevindt

Door een magnetische naald in de buurt van zo'n lijn te plaatsen, kun je zien dat de pijl tangentieel ligt. in cijfers 1 , 2 , 3 Figuur 35 toont de oriëntatie van de magnetische naald op de corresponderende punten. Nabij de polen is de dichtheid van het magnetische poeder groter dan op andere punten op de plaat. Dit betekent dat de grootte van het magnetische veld daar een maximale waarde heeft. Het magnetische veld op elk punt wordt dus bepaald door de waarde van de grootheid die het magnetische veld en zijn richting kenmerkt. Dergelijke grootheden worden vectoren genoemd.

Laten we het stalen deel tussen de polen van de magneet plaatsen (Figuur 36). De richting van veldlijnen in het onderdeel wordt aangegeven door pijlen. Magnetische veldlijnen zullen ook in het onderdeel verschijnen, alleen zullen er veel meer zijn dan in de lucht.

Afbeelding 36 Magnetiseren van een onderdeel met een eenvoudige vorm

Het stalen deel bevat namelijk ijzer, bestaande uit micromagneten, die domeinen worden genoemd. De toepassing van een magnetiserend veld op het detail leidt ertoe dat ze zich beginnen te oriënteren in de richting van dit veld en het vele malen versterken. Het is te zien dat de krachtlijnen in het onderdeel evenwijdig aan elkaar zijn, terwijl het magnetische veld constant is. Een magnetisch veld, dat wordt gekenmerkt door rechte parallelle krachtlijnen met dezelfde dichtheid, wordt homogeen genoemd.

10.2 Magnetische hoeveelheden

De belangrijkste fysieke grootheid die het magnetische veld kenmerkt, is de magnetische inductievector, die gewoonlijk wordt aangeduid als BIJ. Voor elke fysieke hoeveelheid is het gebruikelijk om de afmeting ervan aan te geven. Dus de eenheid van stroomsterkte is Ampere (A), de eenheid van magnetische inductie is Tesla (Tl). Magnetische inductie in gemagnetiseerde delen ligt meestal in het bereik van 0,1 tot 2,0 T.

Een magnetische naald die in een uniform magnetisch veld wordt geplaatst, zal roteren. Het moment van krachten die het om zijn as draaien, is evenredig met de magnetische inductie. Magnetische inductie kenmerkt ook de mate van magnetisatie van het materiaal. De krachtlijnen getoond in figuren 34, 35 karakteriseren de verandering in magnetische inductie in lucht en materiaal (details).

Magnetische inductie bepaalt het magnetische veld op elk punt in de ruimte. Om het magnetische veld op een bepaald oppervlak te karakteriseren (bijvoorbeeld in het vlak van de dwarsdoorsnede van het onderdeel), wordt een andere fysieke grootheid gebruikt, die magnetische flux wordt genoemd en wordt aangeduid met Φ.

Laat een uniform gemagnetiseerd onderdeel (Figuur 36) worden gekenmerkt door de waarde van magnetische inductie BIJ, de dwarsdoorsnede van het onderdeel is gelijk aan S, dan wordt de magnetische flux bepaald door de formule:

Eenheid magnetische flux- Weber (Wb).

Overweeg een voorbeeld. De magnetische inductie in het onderdeel is 0,2 T, het dwarsdoorsnede-oppervlak is 0,01 m 2. Dan is de magnetische flux 0,002 Wb.

Laten we een lange cilindrische ijzeren staaf in een uniform magnetisch veld plaatsen. Laat de symmetrieas van de staaf samenvallen met de richting van de krachtlijnen. Dan wordt de staaf bijna overal gelijkmatig gemagnetiseerd. De magnetische inductie in de staaf zal veel groter zijn dan in lucht. De verhouding van magnetische inductie in het materiaal B m naar magnetische inductie in lucht in in heet de magnetische permeabiliteit:

μ=B m / B in. (10.2)

Magnetische permeabiliteit is een dimensieloze grootheid. Voor verschillende staalsoorten varieert de magnetische permeabiliteit van 200 tot 5.000.

Magnetische inductie is afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal, wat de technische berekeningen van magnetische processen bemoeilijkt. Daarom is een hulpgrootheid geïntroduceerd, die niet afhankelijk is van de magnetische eigenschappen van het materiaal. Het wordt de magnetische veldvector genoemd en wordt aangeduid als H. De eenheid van magnetische veldsterkte is Ampere/meter (A/m). Bij niet-destructief magnetisch testen van onderdelen varieert de magnetische veldsterkte van 100 tot 100.000 A/m.

Tussen magnetische inductie in in en magnetische veldsterkte H in de lucht is er een eenvoudige relatie:

В в =μ 0 H, (10,3)

waar μ 0 = 4π 10 –7 Henry/meter - magnetische constante.

De magnetische veldsterkte en magnetische inductie in het materiaal zijn gerelateerd aan de relatie:

B=μμ 0 H (10,4)

Magnetische veldsterkte H -vector. Bij fluxgate-testen is het nodig om de componenten van deze vector op het oppervlak van het onderdeel te bepalen. Deze componenten kunnen worden bepaald met behulp van figuur 37. Hier wordt het oppervlak van het onderdeel als een vlak genomen xy, as z loodrecht op dit vlak.

Figuur 1.4 vanaf de bovenkant van de vector H loodrecht op het vliegtuig gevallen x,y. Een vector wordt getrokken van de oorsprong van de coördinaten naar het snijpunt van de loodlijn en het vlak H  wat de tangentiële component van de magnetische veldsterkte van de vector wordt genoemd H . Loodlijnen laten vallen vanaf het hoekpunt van de vector H op de as x en ja, definieer projecties H x en hoi vector H. Projectie H per as z wordt de normale component van de magnetische veldsterkte genoemd H nee . Bij magnetische tests worden meestal de tangentiële en normale componenten van de magnetische veldsterkte gemeten.

Figuur 37 De vector van het magnetische veld en zijn projectie op het oppervlak van het onderdeel

10.3 Magnetisatiecurve en hysteresislus

Laten we eens kijken naar de verandering in de magnetische inductie van een aanvankelijk gedemagnetiseerd ferromagnetisch materiaal met een geleidelijke toename van de sterkte van het externe magnetische veld. Een grafiek die deze afhankelijkheid weergeeft, wordt getoond in figuur 38 en wordt de initiële magnetisatiecurve genoemd. In het gebied van zwakke magnetische velden is de helling van deze curve relatief klein, en dan begint deze toe te nemen en een maximale waarde te bereiken. Bij nog hogere waarden van de magnetische veldsterkte neemt de helling af, zodat de verandering in magnetische inductie onbeduidend wordt naarmate het veld toeneemt - er treedt magnetische verzadiging op, die wordt gekenmerkt door de waarde B S. Figuur 39 toont de afhankelijkheid van magnetische permeabiliteit van de sterkte van het magnetische veld. Deze afhankelijkheid wordt gekenmerkt door twee waarden: initiële μ n en maximale μ m magnetische permeabiliteit. In het gebied van sterke magnetische velden neemt de permeabiliteit af met toenemend veld. Met een verdere toename van het externe magnetische veld verandert de magnetisatie van het monster praktisch niet, en de magnetische inductie groeit alleen door het externe veld .

Afbeelding 38 Initiële magnetisatiecurve

Figuur 39 Afhankelijkheid van permeabiliteit van magnetische veldsterkte

Magnetische verzadigingsinductie B S hangt voornamelijk af van chemische samenstelling materiaal en voor constructie- en elektrisch staal is 1,6-2,1 T. Magnetische permeabiliteit hangt niet alleen af van de chemische samenstelling, maar ook van thermische en mechanische verwerking.

Afbeelding 40 Limiet (1) en gedeeltelijke (2) hysteresislussen

Afhankelijk van de grootte van de coërcitiefkracht, worden magnetische materialen verdeeld in zacht magnetisch (H c< 5 000 А/м) и магнитотвердые (H c >5 000 A/m).

Voor zacht magnetische materialen zijn relatief kleine velden nodig om verzadiging te bereiken. Hard magnetische materialen zijn moeilijk te magnetiseren en te hermagnetiseren.

De meeste constructiestaalsoorten zijn zachte magnetische materialen. Voor elektrisch staal en speciale legeringen is de dwangkracht 1-100 A / m, voor constructiestaal - niet meer dan 5.000 A / m. Bij aangesloten apparaten met permanente magneten worden harde magnetische materialen gebruikt.

Tijdens magnetisatie-omkering is het materiaal weer verzadigd, maar de inductiewaarde heeft een ander teken (– B S) overeenkomend met de negatieve sterkte van het magnetische veld. Met een daaropvolgende toename van de magnetische veldsterkte in de richting van positieve waarden, zal de inductie veranderen langs een andere curve, de opgaande tak van de lus. Beide takken: dalend en stijgend, vormen een gesloten curve, de beperkende magnetische hysteresislus genoemd. De limietlus heeft een symmetrische vorm en komt overeen met de maximale waarde van de magnetische inductie gelijk aan B S. Bij een symmetrische verandering van de magnetische veldsterkte binnen kleinere grenzen, zal de inductie langs een nieuwe lus veranderen. Deze lus bevindt zich volledig binnen de limietlus en wordt een symmetrische gedeeltelijke lus genoemd (Figuur 40).

De parameters van de beperkende magnetische hysteresislus spelen een belangrijke rol bij de fluxgate-regeling. Bij hoge waarden resterende inductie en dwangkracht, is het mogelijk om te controleren door het materiaal van het onderdeel vooraf te magnetiseren tot verzadiging, gevolgd door het uitschakelen van de veldbron. De magnetisatie van het onderdeel is voldoende om defecten op te sporen.

Tegelijkertijd leidt het fenomeen hysterese tot de noodzaak om de magnetische toestand te beheersen. Bij afwezigheid van demagnetisatie kan het materiaal van het onderdeel zich in een staat bevinden die overeenkomt met inductie - B r. Vervolgens, door het magnetische veld van positieve polariteit in te schakelen, bijvoorbeeld gelijk aan Hc, je kunt het onderdeel zelfs demagnetiseren, hoewel we het moeten magnetiseren.

Magnetische permeabiliteit is ook belangrijk. Meer μ , hoe lager de vereiste waarde van de magnetische veldsterkte voor het magnetiseren van het onderdeel. Dus technische specificaties magnetiserend apparaat moet consistent zijn met de magnetische parameters van het testobject.

10.4 Magnetisch strooiveld van defecten

Het magnetische veld van een defect onderdeel heeft zijn eigen kenmerken. Neem een gemagnetiseerde stalen ring (onderdeel) met een smalle opening. Deze opening kan worden beschouwd als een onderdeeldefect. Als je de ring bedekt met een vel papier gevuld met magnetisch poeder, kun je een afbeelding zien die lijkt op die in figuur 35. Het vel papier bevindt zich buiten de ring en ondertussen staan de poederdeeltjes langs bepaalde lijnen. De krachtlijnen van het magnetische veld passeren dus gedeeltelijk buiten het onderdeel en stromen rond het defect. Dit deel van het magnetische veld wordt het defecte strooiveld genoemd.

Figuur 41 toont een lange scheur in het onderdeel, loodrecht op de magnetische veldlijnen, en een patroon van veldlijnen nabij het defect.

Figuur 41 Stroming rond een oppervlaktescheur door krachtlijnen

Het is te zien dat de magnetische veldlijnen rond de scheur in het onderdeel en daarbuiten stromen. De vorming van een verdwaald magnetisch veld door een ondergronds defect kan worden verklaard aan de hand van figuur 42, die een doorsnede van een gemagnetiseerd onderdeel laat zien. Veldlijnen van magnetische inductie verwijzen naar een van de drie secties van de doorsnede: boven het defect, in de zone van het defect en onder het defect. Het product van magnetische inductie en dwarsdoorsnede bepaalt de magnetische flux. De componenten van de totale magnetische flux in deze gebieden worden aangeduid als 1 ,.., Een deel van de magnetische flux F 2, stroomt boven en onder de sectie S2. Daarom zijn de magnetische fluxen in de dwarsdoorsneden S1 en S3 groter zal zijn dan die van een defectvrij onderdeel. Hetzelfde kan gezegd worden over magnetische inductie. Een andere belangrijk kenmerk veldlijnen van magnetische inductie is hun kromming boven en onder het defect. Als gevolg hiervan komen enkele krachtlijnen uit het onderdeel, waardoor een magnetisch strooiveld van het defect ontstaat.

3 .

Figuur 42 Verdwaald veld van een ondergronddefect

Het verdwaalde magnetische veld kan worden gekwantificeerd door de magnetische flux die het deel verlaat, de zogenaamde verdwaalde flux. De lekkage magnetische flux is groter, hoe groter de magnetische flux; Φ2 in sectie S2. Dwarsdoorsnede gebied S2 evenredig met de cosinus van de hoek  , weergegeven in figuur 42. Bij  = 90° is dit gebied gelijk aan nul, bij  =0° het is het belangrijkst.

Om defecten te detecteren, is het dus noodzakelijk dat de magnetische inductielijnen van kracht in de controlezone van het onderdeel loodrecht staan op het vlak van het vermeende defect.

De verdeling van de magnetische flux over het gedeelte van het defecte onderdeel is vergelijkbaar met de verdeling van de waterstroom in een kanaal met een barrière. De golfhoogte in de zone van een geheel ondergedompelde kering zal groter zijn naarmate de kruin van de kering zich dichter bij het wateroppervlak bevindt. Evenzo is het ondergrondse defect van het onderdeel gemakkelijker te detecteren naarmate de diepte van het optreden kleiner is.

10.5 Defectdetectie

Om defecten op te sporen is een apparaat nodig waarmee de kenmerken van het defecte strooiveld kunnen worden bepaald. Dit magnetische veld kan worden bepaald uit de componenten Hx, H y, Hz.

Verdwaalde velden kunnen echter niet alleen worden veroorzaakt door een defect, maar ook door andere factoren: structurele inhomogeniteit van het metaal, een scherpe verandering in de dwarsdoorsnede (in detail complexe vorm), machinale bewerking, schokken, oppervlakteruwheid, enz. Daarom is de analyse van de afhankelijkheid van zelfs maar één projectie (bijvoorbeeld hz) van de ruimtelijke coördinaat ( x of ja) kan een moeilijke taak zijn.

Beschouw het verdwaalde magnetische veld in de buurt van het defect (Figuur 43). Hier wordt een geïdealiseerde oneindig lange scheur met gladde randen weergegeven. Het is langwerpig langs de as ja, die in de figuur op ons is gericht. Nummers 1, 2, 3, 4 laten zien hoe de grootte en richting van de magnetische veldsterktevector veranderen bij het naderen van de scheur van links.

Figuur 43 Verdwaald magnetisch veld nabij een defect

Het magnetische veld wordt gemeten op enige afstand van het oppervlak van het onderdeel. Het traject waarlangs wordt gemeten, is aangegeven met een stippellijn. De grootten en richtingen van de vectoren rechts van de scheur kunnen op een vergelijkbare manier worden geconstrueerd (of gebruik de symmetrie van de figuur). Rechts van de afbeelding van het verdwaalde veld, een voorbeeld van de ruimtelijke positie van de vector H en twee van zijn componenten H x en hz . Projectie-afhankelijkheid plots H x en hz verdwaalde velden van de coördinaat x hieronder weergegeven.

Het lijkt erop dat men bij het zoeken naar een extremum H x of nul H z een defect kan vinden. Maar zoals hierboven opgemerkt, worden strooivelden niet alleen gevormd door defecten, maar ook door structurele inhomogeniteiten van het metaal, door sporen van mechanische invloeden, enz.

Laten we een vereenvoudigd beeld bekijken van de vorming van verdwaalde velden op een eenvoudig onderdeel (Figuur 44), vergelijkbaar met het onderdeel dat wordt getoond in Figuur 41, en grafieken van projectie-afhankelijkheden H z , H x van de coördinaat x(het defect is langwerpig langs de as) ja).

Afhankelijkheidsgrafieken H x en hz van x het is erg moeilijk om een defect op te sporen, omdat de waarden van de extrema H x en hz over een defect en over inhomogeniteiten zijn vergelijkbaar.

De uitweg werd gevonden toen bleek dat in het gebied van het defect de maximale veranderingssnelheid (steilheid) van de magnetische veldsterkte van een coördinaat groter is dan andere maxima.

Figuur 44 laat zien dat de maximale helling van de grafiek Hz (x) tussen punten x 1 en x2(d.w.z. in het defecte gebied) is veel groter dan op andere plaatsen.

Het apparaat zou dus niet de projectie van de veldsterkte moeten meten, maar de "snelheid" van zijn verandering, d.w.z. de verhouding van het projectieverschil op twee aangrenzende punten boven het oppervlak van het onderdeel tot de afstand tussen deze punten:

(10.5)

waar H z (x 1), H z (x 2)- vectorprojectiewaarden H per as z op punten x 1, x 2(links en rechts van het defect), Gz(x) gewoonlijk aangeduid als de gradiënt van het magnetische veld.

Verslaving Gz(x) weergegeven in Afbeelding 44. Afstand Dx \u003d x 2 - x 1 tussen de punten waarop de vectorprojecties worden gemeten H per as z, wordt gekozen rekening houdend met de afmetingen van het defecte strooiveld.

Zoals blijkt uit figuur 44, en dit komt goed overeen met de praktijk, is de waarde van de gradiënt over het defect aanzienlijk groter dan de waarde over de inhomogeniteiten van het metaaldeel. Dit maakt het mogelijk om een defect betrouwbaar te registreren door de drempelwaarde met de helling te overschrijden (Figuur 44).

Door de gewenste drempelwaarde te kiezen, is het mogelijk om regelfouten tot de minimumwaarden te reduceren.

Figuur 44 Krachtlijnen van het magnetische veld van het defect en inhomogeniteiten van het metalen onderdeel.

10.6 Ferroprobe-methode:

De fluxgate-methode is gebaseerd op het meten van de verdwaalde magnetische veldsterktegradiënt gecreëerd door een defect in een gemagnetiseerd product met een fluxgate-apparaat en het vergelijken van het meetresultaat met een drempel.

Buiten het gecontroleerde deel is er een bepaald magnetisch veld dat wordt gecreëerd om het te magnetiseren. Het gebruik van een foutdetector - gradiometer zorgt voor de selectie van een signaal veroorzaakt door een defect tegen de achtergrond van een vrij groot onderdeel van de magnetische veldsterkte die langzaam in de ruimte verandert.

Een fluxgate-foutdetector gebruikt een transducer die reageert op de gradiëntcomponent van de normale component van de magnetische veldsterkte op het oppervlak van het onderdeel. De foutdetectortransducer bevat twee parallelle staven gemaakt van een speciale zachte magnetische legering. Tijdens inspectie staan de staven loodrecht op het oppervlak van het onderdeel, d.w.z. evenwijdig zijn aan de normale component van de magnetische veldsterkte. De staven hebben identieke wikkelingen waardoor een wisselstroom vloeit. Deze wikkelingen zijn in serie geschakeld. Wisselstroom creëert variabele componenten van de magnetische veldsterkte in de staven. Deze componenten vallen samen in grootte en richting. Daarnaast is er een constante component van de magnetische veldsterkte van het onderdeel ter plaatse van elke staaf. Waarde x, die is opgenomen in de formule (10.5), is gelijk aan de afstand tussen de assen van de staven en wordt de basis van de converter genoemd. De uitgangsspanning van de omvormer wordt bepaald door het verschil tussen de wisselspanningen op de wikkelingen.

Laten we de foutdetectortransducer op het gedeelte van het onderdeel zonder defect plaatsen, waar de waarden van de magnetische veldsterkte op de punten x1; x 2(zie formule (10.5)) zijn hetzelfde. Dit betekent dat de gradiënt van de magnetische veldsterkte nul. Dan zullen dezelfde constante en variabele componenten van het magnetische veld op elke staaf van de omzetter werken. Deze componenten zullen de staven in gelijke mate hermagnetiseren, zodat de spanningen op de wikkelingen gelijk aan elkaar zijn. Het spanningsverschil dat het uitgangssignaal definieert, is nul. De foutdetectortransducer reageert dus niet op een magnetisch veld als er geen gradiënt is.

Als de gradiënt van de magnetische veldsterkte niet gelijk is aan nul, dan zullen de staven in hetzelfde wisselende magnetische veld zijn, maar de constante componenten zullen anders zijn. Elke staaf wordt opnieuw gemagnetiseerd door wisselstroom uit een toestand met magnetische inductie - in S naar + in S Volgens de wet elektromagnetische inductie spanning op de wikkeling kan alleen verschijnen als de magnetische inductie verandert. Daarom kan de periode van wisselstroomoscillaties worden verdeeld in intervallen wanneer de staaf in verzadiging is en daarom is de spanning op de wikkeling nul, en in tijdsintervallen wanneer er geen verzadiging is, wat betekent dat de spanning verschilt van nul . In die perioden waarin beide staven niet tot verzadiging zijn gemagnetiseerd, verschijnen dezelfde spanningen op de wikkelingen. Op dit moment is het uitgangssignaal nul. Hetzelfde zal gebeuren met gelijktijdige verzadiging van beide staven, wanneer er geen spanning op de wikkelingen staat. De uitgangsspanning verschijnt wanneer een kern zich in een verzadigde toestand bevindt en de andere in een onverzadigde toestand.

De gelijktijdige werking van de constante en variabele componenten van de magnetische veldsterkte leidt ertoe dat elke kern gedurende meer dan lange tijd dan in de andere. Een langere verzadiging komt overeen met de optelling van de constante en variabele componenten van de magnetische veldsterkte, met een kortere - aftrekking. Het verschil tussen tijdsintervallen die overeenkomen met de waarden van magnetische inductie + in S en - in S, hangt af van de sterkte van het constante magnetische veld. Beschouw de toestand met magnetische inductie + in S op twee transducerstaven. Verschillende waarden van de magnetische veldsterkte op de punten x 1 en x 2 zal overeenkomen met een verschillende duur van de intervallen van magnetische verzadiging van de staven. Hoe groter het verschil tussen deze waarden van de magnetische veldsterkte, hoe meer de tijdsintervallen verschillen. Gedurende die perioden waarin de ene staaf verzadigd is en de andere onverzadigd, treedt de uitgangsspanning van de omzetter op. Deze spanning is afhankelijk van de gradiënt van de magnetische veldsterkte.

Ongeveer twee en een half duizend jaar geleden ontdekten mensen dat sommige natuurstenen het vermogen hebben om ijzer naar zich toe te trekken. Deze eigenschap werd verklaard door de aanwezigheid van een levende ziel in deze stenen en een zekere "liefde" voor ijzer.

Tegenwoordig weten we al dat deze stenen natuurlijke magneten zijn, en het magnetische veld, en helemaal geen speciale locatie om te strijken, creëert deze effecten. Een magnetisch veld is een speciaal soort materie die verschilt van materie en bestaat rond gemagnetiseerde lichamen.

permanente magneten

Natuurlijke magneten, of magnetieten, hebben geen erg sterke magnetische eigenschappen. Maar de mens heeft geleerd kunstmatige magneten te maken die een veel grotere sterkte van het magnetische veld hebben. Ze zijn gemaakt van speciale legeringen en gemagnetiseerd door een extern magnetisch veld. Daarna kunt u ze zelf gebruiken.

Magnetische veldlijnen

Elke magneet heeft twee polen, ze worden noord- en zuidpool genoemd. Aan de polen is de concentratie van het magnetische veld maximaal. Maar tussen de polen is het magnetische veld ook niet willekeurig, maar in de vorm van strepen of lijnen. Ze worden magnetische veldlijnen genoemd. Ze detecteren is vrij eenvoudig - plaats gewoon verspreid ijzervijlsel in een magnetisch veld en schud ze lichtjes. Ze zullen niet willekeurig worden gelokaliseerd, maar vormen als het ware een lijnenpatroon dat begint bij de ene pool en eindigt bij de andere. Deze lijnen komen als het ware uit de ene paal en gaan de andere in.

IJzervijlsel in het veld van de magneet wordt zelf gemagnetiseerd en langs de kracht geplaatst magnetische lijnen. Zo werkt het kompas. Onze planeet is een grote magneet. De kompasnaald vangt het magnetische veld van de aarde op en bevindt zich, draaiend, langs de krachtlijnen, met het ene uiteinde naar de magnetische noordpool en het andere naar het zuiden. De magnetische polen van de aarde zijn een beetje uit geografisch oogpunt, maar als je weg van de polen reist, is dit niet het geval uitermate belangrijk, en we kunnen ze als identiek beschouwen.

Variabele magneten

De reikwijdte van magneten in onze tijd is extreem breed. Ze zijn te vinden in elektrische motoren, telefoons, luidsprekers, radio's. Zelfs in de geneeskunde, bijvoorbeeld, wanneer een persoon een naald of ander ijzeren voorwerp inslikt, kan deze zonder operatie worden verwijderd met een magnetische sonde.

Dus de magnetische veldinductie op de as van een cirkelvormige spoel met stroom neemt omgekeerd evenredig af met de derde macht van de afstand van het midden van de spoel tot een punt op de as. De vector van magnetische inductie op de as van de spoel is evenwijdig aan de as. De richting ervan kan worden bepaald met behulp van de juiste schroef: als u de juiste schroef evenwijdig aan de as van de spoel richt en deze in de richting van de stroom in de spoel draait, geeft de richting van de translatiebeweging van de schroef de richting aan van de magnetische inductievector.

3.5 Magnetische veldlijnen

Het magnetische veld wordt, net als het elektrostatische, handig weergegeven in grafische vorm - met behulp van magnetische veldlijnen.

De krachtlijn van een magnetisch veld is een lijn waarvan de raaklijn op elk punt samenvalt met de richting van de magnetische inductievector.

De krachtlijnen van het magnetische veld zijn zo getekend dat hun dichtheid evenredig is met de grootte van de magnetische inductie: hoe groter de magnetische inductie op een bepaald punt, hoe groter de dichtheid van de krachtlijnen.

Magnetische veldlijnen zijn dus vergelijkbaar met elektrostatische veldlijnen.

Ze hebben echter ook enkele eigenaardigheden.

Beschouw een magnetisch veld gecreëerd door een rechte geleider met stroom I.

Laat deze geleider loodrecht op het vlak van de figuur staan.

Op verschillende punten die zich op dezelfde afstand van de geleider bevinden, is de inductie even groot.

vector richting BIJ op verschillende punten in de afbeelding.

De lijn, de raaklijn waaraan alle punten samenvallen met de richting van de magnetische inductievector, is een cirkel.

Daarom zijn de magnetische veldlijnen in dit geval cirkels die de geleider omsluiten. De middelpunten van alle krachtlijnen bevinden zich op de geleider.

De krachtlijnen van het magnetische veld zijn dus gesloten (de krachtlijnen van een elektrostatisch veld kunnen niet worden gesloten, ze beginnen en eindigen op ladingen).

Daarom is het magnetische veld draaikolk(de zogenaamde velden waarvan de krachtlijnen gesloten zijn).

De geslotenheid van de krachtlijnen betekent een ander, zeer belangrijk kenmerk van het magnetische veld - in de natuur zijn er geen (althans nog niet ontdekte) magnetische ladingen die de bron zouden zijn van een magnetisch veld van een bepaalde polariteit.

Daarom is er geen afzonderlijk bestaande magnetische noord- of zuidpool van een magneet.

Zelfs als je een permanente magneet doormidden zaagt, krijg je twee magneten, die elk beide polen hebben.

3.6. Lorentzkracht

Er is experimenteel vastgesteld dat een kracht werkt op een lading die in een magnetisch veld beweegt. Deze kracht wordt de Lorentzkracht genoemd:

Lorentz-krachtmodulus

waarbij a de hoek is tussen de vectoren v en B .

De richting van de Lorentzkracht hangt af van de richting van de vector. Het kan worden bepaald met behulp van de rechterschroefregel of de linkerhandregel. Maar de richting van de Lorentzkracht valt niet noodzakelijk samen met de richting van de vector!

Het punt is dat de Lorentzkracht gelijk is aan het resultaat van het product van de vector [ v , BIJ ] naar een scalair q. Als de lading positief is, dan: F ik is evenwijdig aan de vector [ v , BIJ ]. Indien q< 0, то сила Лоренца противоположна направлению вектора [v , BIJ ] (zie figuur).

Als een geladen deeltje evenwijdig aan de magnetische veldlijnen beweegt, dan is de hoek a tussen de snelheids- en magnetische inductievectoren gelijk aan nul. Daarom werkt de Lorentzkracht niet op zo'n lading (sin 0 = 0, F l = 0).

Als de lading loodrecht op de magnetische veldlijnen beweegt, dan is de hoek a tussen de snelheids- en magnetische inductievector 90 0 . In dit geval heeft de Lorentzkracht de maximaal mogelijke waarde: F l = q v B.

De Lorentzkracht staat altijd loodrecht op de snelheid van de lading. Dit betekent dat de Lorentzkracht de grootte van de bewegingssnelheid niet kan veranderen, maar van richting verandert.

Daarom zal in een uniform magnetisch veld een lading die in een magnetisch veld is gevlogen loodrecht op zijn krachtlijnen in een cirkel bewegen.

Als alleen de Lorentzkracht op de lading inwerkt, dan volgt de beweging van de lading de volgende vergelijking, samengesteld op basis van de tweede wet van Newton: ma = Fl.

Aangezien de Lorentzkracht loodrecht op de snelheid staat, is de versnelling van een geladen deeltje centripetaal (normaal): (hier R is de kromtestraal van het traject van de geladen deeltjes).

Zonder twijfel zijn de magnetische veldlijnen nu bij iedereen bekend. Tenminste, zelfs op school wordt hun manifestatie gedemonstreerd in natuurkundelessen. Weet je nog hoe een leraar een permanente magneet (of zelfs twee, waarbij ze de oriëntatie van hun polen combineerden) onder een vel papier plaatste en daarop metaalvijlsel goot dat hij in een arbeidstrainingslokaal had genomen? Het is vrij duidelijk dat het metaal op de plaat moest worden gehouden, maar er werd iets vreemds waargenomen - er waren duidelijk lijnen getrokken waarlangs het zaagsel zich opstelde. Let op - niet gelijkmatig, maar in strepen. Dit zijn de magnetische veldlijnen. Of beter gezegd, hun manifestatie. Wat gebeurde er toen en hoe is dat te verklaren?

Laten we op afstand beginnen. Samen met ons bestaat in de zichtbare fysieke wereld een speciaal soort materie - een magnetisch veld. Het zorgt voor interactie tussen bewegen elementaire deeltjes of grotere lichamen met elektrische lading of natuurlijk Elektrisch en zijn niet alleen met elkaar verbonden, maar genereren vaak zichzelf. Bijvoorbeeld een draaddragende elektriciteit creëert een magnetisch veld om zich heen. Het omgekeerde is ook waar: de werking van wisselende magnetische velden op een gesloten geleidend circuit creëert een beweging van ladingsdragers daarin. De laatste eigenschap wordt gebruikt in generatoren die elektrische energie leveren aan alle consumenten. Een treffend voorbeeld van elektromagnetische velden is licht.

De krachtlijnen van het magnetische veld rond de geleider roteren of, wat ook waar is, worden gekenmerkt door een gerichte vector van magnetische inductie. De draairichting wordt bepaald door de gimlet-regel. De aangegeven lijnen zijn een conventie, aangezien het veld zich gelijkmatig in alle richtingen verspreidt. Het punt is dat het kan worden weergegeven als een oneindig aantal lijnen, waarvan sommige een meer uitgesproken spanning hebben. Daarom zijn sommige "lijnen" duidelijk in en zaagsel getraceerd. Interessant is dat de krachtlijnen van het magnetische veld nooit worden onderbroken, dus het is onmogelijk om ondubbelzinnig te zeggen waar het begin is en waar het einde is.

In het geval van een permanente magneet (of een gelijkaardige elektromagneet), zijn er altijd twee polen, gewoonlijk Noord en Zuid genoemd. De lijnen die in dit geval worden genoemd zijn ringen en ovalen die beide polen met elkaar verbinden. Soms wordt dit beschreven in termen van op elkaar inwerkende monopolen, maar dan ontstaat er een contradictie, volgens welke de monopolen niet kunnen worden gescheiden. Dat wil zeggen, elke poging om de magneet te verdelen zal resulteren in verschillende bipolaire delen.

Van groot belang zijn de eigenschappen van krachtlijnen. We hebben het al gehad over continuïteit, maar het vermogen om een elektrische stroom in een geleider te creëren is van praktisch belang. De betekenis hiervan is als volgt: als het geleidende circuit wordt gekruist door lijnen (of de geleider zelf beweegt in een magnetisch veld), dan wordt er extra energie aan de elektronen in de buitenste banen van de atomen van het materiaal gegeven, waardoor ze zelfstandig gerichte beweging beginnen. Er kan worden gezegd dat het magnetische veld geladen deeltjes uit het kristalrooster lijkt te "knijpen". Dit fenomeen wordt elektromagnetische inductie genoemd en is momenteel de belangrijkste manier om primaire elektrische energie. Het werd in 1831 experimenteel ontdekt door de Engelse natuurkundige Michael Faraday.

De studie van magnetische velden begon al in 1269, toen P. Peregrine de interactie ontdekte van een bolvormige magneet met stalen naalden. Bijna 300 jaar later suggereerde W.G. Colchester dat hij zelf een enorme magneet met twee polen was. Verder werden magnetische verschijnselen bestudeerd door beroemde wetenschappers als Lorentz, Maxwell, Ampère, Einstein, enz.