Egenskaper som ligger i magnetiske kraftlinjer. Magnetfeltteori og interessante fakta om jordens magnetfelt
Så induksjonen magnetfelt på aksen til en sirkulær spole med strømnedgang i omvendt proporsjon med tredje potens av avstanden fra midten av spolen til et punkt på aksen. Vektoren for magnetisk induksjon på spolens akse er parallell med aksen. Retningen kan bestemmes ved hjelp av den riktige skruen: hvis du retter den høyre skruen parallelt med spolens akse og roterer den i retning av strømmen i spolen, vil retningen for translasjonsbevegelsen til skruen vise retningen av den magnetiske induksjonsvektoren.
3.5 Magnetiske feltlinjer
Det magnetiske feltet, som det elektrostatiske, er praktisk representert i grafisk form - ved hjelp av magnetiske feltlinjer.
Kraftlinjen til et magnetfelt er en linje, hvor tangenten i hvert punkt sammenfaller med retningen til den magnetiske induksjonsvektoren.
Magnetfeltets kraftlinjer er tegnet på en slik måte at deres tetthet er proporsjonal med størrelsen på den magnetiske induksjonen: jo større magnetisk induksjon på et bestemt punkt, desto større tetthet av kraftlinjene.
Dermed ligner magnetiske feltlinjer på elektrostatiske feltlinjer.
Imidlertid har de også noen særegenheter.
Tenk på et magnetfelt skapt av en rett leder med strøm I.
La denne lederen være vinkelrett på planet til figuren.
På forskjellige punkter plassert i samme avstand fra lederen, er induksjonen den samme i størrelsesorden.
vektor retning PÅ på forskjellige punkter vist i figuren.
Linjen, tangenten som på alle punkter sammenfaller med retningen til den magnetiske induksjonsvektoren, er en sirkel.
Derfor er magnetfeltlinjene i dette tilfellet sirkler som omslutter lederen. Sentrum av alle kraftlinjer er plassert på lederen.
Dermed er kraftlinjene til magnetfeltet lukket (kraftlinjene til et elektrostatisk felt kan ikke lukkes, de begynner og slutter på ladninger).
Derfor er magnetfeltet virvel(de såkalte feltene hvis kraftlinjer er lukket).
Lukkheten til kraftlinjene betyr et annet, veldig viktig trekk ved magnetfeltet - i naturen er det ingen (i hvert fall ikke oppdaget) magnetiske ladninger som vil være kilden til et magnetfelt med en viss polaritet.
Derfor er det ingen separat eksisterende nord- eller sørmagnetisk pol til en magnet.
Selv om du så en permanent magnet i to, får du to magneter som hver har begge polene.
3.6. Lorentz kraft
Det er eksperimentelt fastslått at en kraft virker på en ladning som beveger seg i et magnetfelt. Denne kraften kalles Lorentz-styrken:
.
Lorentz kraftmodul
|
|
,
hvor a er vinkelen mellom vektorene v og B .
Retningen til Lorentz-kraften avhenger av retningen til vektoren. Det kan bestemmes ved hjelp av høyre skrueregel eller venstrehåndsregel. Men retningen til Lorentz-kraften er ikke nødvendigvis sammenfallende med retningen til vektoren!
Poenget er at Lorentz-kraften er lik resultatet av produktet av vektoren [ v , PÅ ] til en skalar q. Hvis ladningen er positiv, da F l er parallell med vektoren [ v , PÅ ]. Hvis q< 0, то сила Лоренца противоположна направлению вектора [v , PÅ ] (se figur).
Hvis en ladet partikkel beveger seg parallelt kraftlinjer magnetfelt, deretter vinkelen a mellom hastigheten og magnetiske induksjonsvektorer null. Derfor virker ikke Lorentz-kraften på en slik ladning (sin 0 = 0, F l = 0).
Hvis ladningen beveger seg vinkelrett på magnetfeltlinjene, er vinkelen a mellom hastigheten og magnetisk induksjonsvektor 90 0 . I dette tilfellet har Lorentz-kraften størst mulig verdi: F l = q v B.
Lorentz-kraften er alltid vinkelrett på hastigheten til ladningen. Dette betyr at Lorentz-kraften ikke kan endre størrelsen på bevegelseshastigheten, men endre retning.
Derfor, i et jevnt magnetfelt, vil en ladning som har fløyet inn i et magnetfelt vinkelrett på kraftlinjene, bevege seg i en sirkel.
Hvis bare Lorentz-kraften virker på ladningen, følger ladningens bevegelse følgende ligning, satt sammen på grunnlag av Newtons andre lov: ma = F l.
Siden Lorentz-kraften er vinkelrett på hastigheten, er akselerasjonen til en ladet partikkel sentripetal (normal): (her R er krumningsradiusen til den ladede partikkelbanen).
Et magnetfelt - makt felt , som virker på bevegelige elektriske ladninger og på kropper med magnetisk øyeblikk, uavhengig av tilstanden til deres bevegelse;magnetisk komponent av det elektromagnetiske Enger .
De magnetiske feltlinjene er imaginære linjer, tangentene som ved hvert punkt av feltet faller sammen i retning med den magnetiske induksjonsvektoren.
For et magnetfelt er superposisjonsprinsippet gyldig: på hvert punkt i rommet, vektoren for magnetisk induksjon B∑ → B∑→skapt på dette tidspunktet av alle kilder til magnetiske felt er lik vektorsummen av de magnetiske induksjonsvektorene bk→ Bk→skapt på dette tidspunktet av alle kilder til magnetiske felt:
28. Lov om Biot-Savart-Laplace. Full gjeldende lov.
Formuleringen av Biot Savart Laplaces lov er som følger: Når en likestrøm går gjennom en lukket krets i vakuum, for et punkt i en avstand r0 fra kretsen, vil den magnetiske induksjonen ha formen.
hvor jeg strømmer i kretsen
gammakontur som integrasjonen utføres langs
r0 vilkårlig punkt
Full gjeldende lov dette er loven om sirkulasjonen av magnetfeltstyrkevektoren og strømmen.
Sirkulasjonen av magnetfeltstyrkevektoren langs kretsen er lik den algebraiske summen av strømmene som dekkes av denne kretsen.
29. Magnetfelt til en leder med strøm. Magnetisk moment av sirkulær strøm.
30. Virkningen av et magnetisk felt på en leder med strøm. Amperes lov. Samspill mellom strømmer .
F = B I l sinα ,
hvor α - vinkelen mellom vektorene for magnetisk induksjon og strøm,B - magnetisk feltinduksjon,Jeg - strøm i lederen,l - lederlengde.
Samspill mellom strømmer. Hvis to ledninger er inkludert i DC-kretsen, så: Tettsittende parallelle ledere koblet i serie frastøter hverandre. Ledere koblet parallelt tiltrekker hverandre.
31. Virkning av elektriske og magnetiske felt på en bevegelig ladning. Lorentz kraft.
Lorentz kraft - makt, med hvilken elektromagnetisk felt i henhold til det klassiske (ikke-kvante) elektrodynamikk handler på punkt ladet partikkel. Noen ganger kalles Lorentz-kraften kraften som virker på en bevegelse med en hastighet lade bare fra siden magnetfelt, ofte full kraft - fra det elektromagnetiske feltet generelt med andre ord fra siden elektrisk og magnetisk Enger.
32. Virkningen av et magnetisk felt på materie. Dia-, para- og ferromagneter. Magnetisk hysterese.
B= B 0 + B 1
hvor B⃗ B → - magnetisk feltinduksjon i materie; B⃗ 0 B→0 - magnetisk feltinduksjon i vakuum, B⃗ 1 B→1 - magnetisk induksjon av feltet som oppsto på grunn av magnetiseringen av stoffet.
Stoffer der den magnetiske permeabiliteten er litt mindre enn enhet (μ< 1), называются diamagneter, litt større enn én (μ > 1) - paramagneter.
ferromagnet - stoffet eller materialet som fenomenet observeres i ferromagnetisme, dvs. utseendet til spontan magnetisering ved en temperatur under Curie-temperaturen.
Magnetisk hysterese - fenomen avhengigheter vektor magnetisering og vektor magnetisk Enger i substans ikke bare fra vedlagte utvendig Enger, men og fra bakgrunn denne prøven
ET MAGNETISK FELT. GRUNNLEGGENDE OM FERROPROBEKONTROLL
Vi lever i jordens magnetfelt. Manifestasjonen av magnetfeltet er at nålen til magnetkompasset hele tiden viser retningen mot nord. samme resultat kan oppnås ved å plassere den magnetiske kompassnålen mellom polene permanent magnet(Figur 34).
Figur 34 - Orientering av magnetnålen nær polene til magneten
Vanligvis er en av polene til magneten (sør) angitt med bokstaven S, en annen - (nordlig) - bokstav N. Figur 34 viser to posisjoner av magnetnålen. I hver posisjon tiltrekkes de motsatte polene til pilen og magneten. Derfor endret retningen på kompassnålen så snart vi flyttet den fra posisjonen 1 i posisjon 2 . Årsaken til tiltrekningen til magneten og pilens sving er magnetfeltet. Å dreie pilen mens den beveger seg opp og til høyre viser at retningen til magnetfeltet på forskjellige punkter i rommet ikke forblir uendret.
Figur 35 viser resultatet av et forsøk med magnetisk pulver drysset på et ark med tykt papir, som er plassert over polene til en magnet. Det kan sees at pulverpartiklene danner linjer.
Pulverpartikler, som kommer inn i et magnetfelt, magnetiseres. Hver partikkel har en nord- og sørpol. Nærliggende pulverpartikler roterer ikke bare i magnetfeltet, men holder seg også til hverandre og stiller seg på linje. Disse linjene kalles magnetfeltlinjer.
Figur 35 Arrangement av magnetiske pulverpartikler på et papirark plassert over polene til en magnet
Ved å plassere en magnetisk nål nær en slik linje, kan du se at pilen er plassert tangentielt. i tall 1 , 2 , 3 Figur 35 viser orienteringen til den magnetiske nålen ved de tilsvarende punktene. Nær polene er tettheten til det magnetiske pulveret større enn på andre punkter på arket. Dette betyr at størrelsen på magnetfeltet der har en maksimal verdi. Dermed bestemmes magnetfeltet ved hvert punkt av verdien av mengden som karakteriserer magnetfeltet og dets retning. Slike mengder kalles vektorer.
La oss plassere ståldelen mellom polene på magneten (Figur 36). Retningen til feltlinjene i delen er vist med piler. Magnetiske feltlinjer vil også vises i delen, bare det vil være mye flere av dem enn i luft.
Figur 36 Magnetisering av en del med enkel form
Faktum er at ståldelen inneholder jern, bestående av mikromagneter, som kalles domener. Påføringen av et magnetiserende felt på detaljene fører til at de begynner å orientere seg i retning av dette feltet og forsterker det mange ganger. Man kan se at kraftlinjene i delen er parallelle med hverandre, mens magnetfeltet er konstant. Et magnetfelt, som er preget av rette parallelle kraftlinjer trukket med samme tetthet, kalles homogen.
10.2 Magnetiske mengder
Den viktigste fysiske størrelsen som karakteriserer magnetfeltet er den magnetiske induksjonsvektoren, som vanligvis betegnes PÅ. For hver fysisk mengde er det vanlig å angi dens dimensjon. Så enheten for strømstyrke er Ampere (A), enheten for magnetisk induksjon er Tesla (Tl). Magnetisk induksjon i magnetiserte deler ligger vanligvis i området fra 0,1 til 2,0 T.
En magnetisk nål plassert i et jevnt magnetfelt vil rotere. Øyeblikket av krefter som snur den rundt sin akse er proporsjonal med den magnetiske induksjonen. Magnetisk induksjon karakteriserer også graden av magnetisering av materialet. Kraftlinjene vist i figurene 34, 35 karakteriserer endringen i magnetisk induksjon i luft og materiale (detaljer).
Magnetisk induksjon bestemmer magnetfeltet på hvert punkt i rommet. For å karakterisere magnetfeltet på en overflate (for eksempel i planet for delens tverrsnitt), brukes en annen fysisk mengde, som kalles magnetisk fluks og er betegnet Φ.
La en jevnt magnetisert del (Figur 36) karakteriseres av verdien av magnetisk induksjon PÅ, tverrsnittsarealet til delen er lik S, da bestemmes den magnetiske fluksen av formelen:
Enhet magnetisk fluks- Weber (Wb).
Tenk på et eksempel. Den magnetiske induksjonen i delen er 0,2 T, tverrsnittsarealet er 0,01 m 2. Da er den magnetiske fluksen 0,002 Wb.
La oss plassere en lang sylindrisk jernstang i et jevnt magnetfelt. La symmetriaksen til stangen falle sammen med retningen til kraftlinjene. Da vil stangen magnetiseres nesten overalt jevnt. Den magnetiske induksjonen i stangen vil være mye større enn i luft. Forholdet mellom magnetisk induksjon i materialet B m til magnetisk induksjon i luft inn i kalles magnetisk permeabilitet:
μ=B m / B in. (10.2)
Magnetisk permeabilitet er en dimensjonsløs størrelse. For ulike stålkvaliteter varierer den magnetiske permeabiliteten fra 200 til 5000.
Magnetisk induksjon avhenger av materialets egenskaper, noe som kompliserer de tekniske beregningene av magnetiske prosesser. Derfor ble det introdusert en hjelpemengde, som ikke er avhengig av materialets magnetiske egenskaper. Det kalles magnetfeltvektoren og betegnes H. Enheten for magnetisk feltstyrke er Ampere/meter (A/m). Under ikke-destruktiv magnetisk testing av deler varierer den magnetiske feltstyrken fra 100 til 100 000 A/m.
Mellom magnetisk induksjon inn i og magnetisk feltstyrke H i luften er det et enkelt forhold:
В в =μ 0 H, (10,3)
hvor μ 0 = 4π 10 –7 Henry/meter - magnetisk konstant.
Magnetfeltstyrken og magnetisk induksjon i materialet er relatert av forholdet:
B=μμ 0 H (10,4)
Magnetisk feltstyrke H - vektor. Ved fluxgate-testing er det nødvendig å bestemme komponentene til denne vektoren på overflaten av delen. Disse komponentene kan bestemmes ved hjelp av figur 37. Her er overflaten av delen tatt som et plan xy, akse z vinkelrett på dette planet.
Figur 1.4 fra toppen av vektoren H falt vinkelrett på planet x,y. En vektor trekkes fra origo til koordinatene til skjæringspunktet mellom perpendikulæren og planet H som kalles den tangentielle komponenten av magnetfeltstyrken til vektoren H . Slippe perpendikulære fra toppunktet til vektoren H på aksen x og y, definere projeksjoner H x og h y vektor H. Projeksjon H per aksel z kalles den normale komponenten av magnetfeltstyrken H n . Ved magnetisk testing måles de tangentielle og normale komponentene av magnetfeltstyrken oftest.
Figur 37 Vektoren til magnetfeltet og dets projeksjon på overflaten av delen
10.3 Magnetiseringskurve og hystereseløkke
La oss vurdere endringen i den magnetiske induksjonen til et opprinnelig avmagnetisert ferromagnetisk materiale med en gradvis økning i styrken til det eksterne magnetfeltet. En graf som reflekterer denne avhengigheten er vist i figur 38 og kalles den initiale magnetiseringskurven. I området med svake magnetiske felt er skråningen til denne kurven relativt liten, og deretter begynner den å øke og når en maksimal verdi. Ved enda høyere verdier av magnetfeltstyrken avtar skråningen slik at endringen i magnetisk induksjon blir ubetydelig med økende felt - magnetisk metning oppstår, som er preget av verdien B S. Figur 39 viser avhengigheten av magnetisk permeabilitet av styrken til magnetfeltet. Denne avhengigheten er preget av to verdier: initial μ n og maksimal μ m magnetisk permeabilitet. I området med sterke magnetiske felt avtar permeabiliteten med økende felt. Med en ytterligere økning i det eksterne magnetfeltet, endres magnetiseringen av prøven praktisk talt ikke, og den magnetiske induksjonen vokser bare på grunn av det eksterne feltet .
Figur 38 Innledende magnetiseringskurve
Figur 39 Avhengighet av permeabilitet av magnetisk feltstyrke
Magnetisk metningsinduksjon B S avhenger hovedsakelig av kjemisk oppbygning materiale og for strukturelle og elektriske stål er 1,6-2,1 T. Magnetisk permeabilitet avhenger ikke bare av den kjemiske sammensetningen, men også av termisk og mekanisk prosessering.
.
Figur 40 Grense (1) og delvis (2) hystereseløkker
I henhold til størrelsen på tvangskraften deles magnetiske materialer inn i myke magnetiske (H c< 5 000 А/м) и магнитотвердые (H c >5 000 A/m).
For myke magnetiske materialer kreves det relativt små felt for å oppnå metning. Harde magnetiske materialer er vanskelige å magnetisere og remagnetisere.
De fleste konstruksjonsstål er myke magnetiske materialer. For elektrisk stål og spesiallegeringer er tvangskraften 1-100 A / m, for konstruksjonsstål - ikke mer enn 5000 A / m. Tilkoblede enheter med permanentmagneter bruker harde magnetiske materialer.
Under magnetiseringsreversering blir materialet mettet igjen, men induksjonsverdien har et annet fortegn (– B S) tilsvarende den negative styrken til magnetfeltet. Med en påfølgende økning i magnetfeltstyrken mot positive verdier, vil induksjonen endres langs en annen kurve, kalt den stigende grenen av sløyfen. Begge grenene: synkende og stigende, danner en lukket kurve, kalt den begrensende magnetiske hysteresesløyfen. Grenseløkken har en symmetrisk form og tilsvarer den maksimale verdien av den magnetiske induksjonen lik B S. Med en symmetrisk endring i magnetfeltstyrken innenfor mindre grenser, vil induksjonen endres langs en ny sløyfe. Denne sløyfen er helt plassert inne i grenseløkken og kalles en symmetrisk delløkke (Figur 40).
Parametrene til den begrensende magnetiske hysteresesløyfen spiller en viktig rolle i fluksgatekontroll. På høye verdier gjenværende induksjon og tvangskraft, er det mulig å kontrollere ved å forhåndsmagnetisere materialet til delen til metning, etterfulgt av å slå av feltkilden. Magnetiseringen av delen vil være tilstrekkelig til å oppdage defekter.
Samtidig fører fenomenet hysterese til behovet for å kontrollere den magnetiske tilstanden. I fravær av demagnetisering kan materialet til delen være i en tilstand som tilsvarer induksjon - B r . Deretter, ved å slå på magnetfeltet med positiv polaritet, for eksempel lik Hc, kan du til og med avmagnetisere delen, selv om vi skal magnetisere den.
Magnetisk permeabilitet er også viktig. Jo mer μ , jo lavere er den nødvendige verdien av magnetfeltstyrken for magnetisering av delen. Så tekniske spesifikasjoner magnetiseringsanordningen må være i samsvar med de magnetiske parameterne til testobjektet.
10.4 Magnetisk strøfelt med defekter
Magnetfeltet til en defekt del har sine egne egenskaper. Ta en magnetisert stålring (del) med et smalt gap. Dette gapet kan betraktes som en delfeil. Hvis du dekker ringen med et papirark fylt med magnetisk pulver, kan du se et bilde som ligner på det som er vist på figur 35. Papirarket er plassert utenfor ringen, og i mellomtiden stiller pulverpartiklene opp langs bestemte linjer. Dermed passerer magnetfeltets kraftlinjer delvis utenfor delen og flyter rundt defekten. Denne delen av magnetfeltet kalles det defekte strøfeltet.
Figur 41 viser en lang sprekk i delen, plassert vinkelrett på magnetfeltlinjene, og et mønster av feltlinjer nær defekten.
Figur 41 Flyt rundt en overflatesprekke med kraftlinjer
Det kan sees at magnetfeltlinjene flyter rundt sprekken inne i delen og utenfor den. Dannelsen av et strømagnetisk felt ved en undergrunnsdefekt kan forklares ved hjelp av figur 42, som viser et utsnitt av en magnetisert del. Feltlinjer med magnetisk induksjon refererer til en av tre seksjoner av tverrsnittet: over defekten, i defektens sone og under defekten. Produktet av magnetisk induksjon og tverrsnittsareal bestemmer den magnetiske fluksen. Komponentene i den totale magnetiske fluksen i disse områdene er betegnet som Φ 1 ,.., En del av den magnetiske fluksen F 2, vil flyte over og under seksjonen S2. Derfor er de magnetiske fluksene i tverrsnittene S1 og S3 vil være større enn for en defektfri del. Det samme kan sies om magnetisk induksjon. En annen viktig funksjon feltlinjer med magnetisk induksjon er deres krumning over og under defekten. Som et resultat kommer noen av kraftlinjene ut av delen, og skaper et magnetisk strøfelt for defekten.
3 .
Figur 42 Herrefelt for en undergrunnsdefekt
Det strømagnetiske feltet kan kvantifiseres ved at den magnetiske fluksen forlater delen, som kalles strøfluksen. Den magnetiske lekkasjefluksen er større, jo større er den magnetiske fluksen Φ2 i seksjon S2. Tverrsnittsareal S2 proporsjonal med cosinus til vinkelen , vist i figur 42. Ved = 90° er dette arealet lik null, ved =0° det betyr mest.
For å oppdage defekter er det derfor nødvendig at de magnetiske induksjonskraftlinjene i kontrollsonen til delen er vinkelrett på planet for den påståtte defekten.
Fordelingen av den magnetiske fluksen over delen av den defekte delen er lik fordelingen av vannstrømmen i en kanal med en barriere. Bølgehøyden i sonen til en fullstendig nedsenket barriere vil være jo større jo nærmere toppen av barrieren er vannoverflaten. Tilsvarende er undergrunnsdefekten til delen lettere å oppdage, jo mindre dybden av forekomsten er.
10.5 Defektdeteksjon
For å oppdage defekter kreves det en enhet som gjør at man kan bestemme egenskapene til defektstrøfeltet. Dette magnetfeltet kan bestemmes fra komponentene H x, H y, H z.
Imidlertid kan streiffelt være forårsaket ikke bare av en defekt, men også av andre faktorer: strukturell inhomogenitet av metallet, en skarp endring i tverrsnittet (i detalj kompleks form), maskinering, støt, overflateruhet, etc. Derfor analyserer avhengigheten av enda en projeksjon (f.eks. hz) fra den romlige koordinaten ( x eller y) kan være en vanskelig oppgave.
Vurder det bortkommen magnetiske feltet nær defekten (Figur 43). Her vises en idealisert uendelig lang sprekk med glatte kanter. Den er langstrakt langs aksen y, som i figuren er rettet mot oss. Tallene 1, 2, 3, 4 viser hvordan størrelsen og retningen til magnetfeltstyrkevektoren endres når man nærmer seg sprekken fra venstre.
Figur 43 Magnetfelt nær en defekt
Magnetfeltet måles i en viss avstand fra overflaten av delen. Banen som målingene foretas langs er vist med en stiplet linje. Størrelsene og retningene til vektorene til høyre for sprekken kan konstrueres på lignende måte (eller bruk symmetrien til figuren). Til høyre for bildet av streiffeltet, et eksempel på den romlige posisjonen til vektoren H og to av dens komponenter H x og hz . Projeksjonsavhengighetsplott H x og hz streiffelt fra koordinaten x Vist under.
Det ser ut til at når man ser etter et ekstremum H x eller null H z , kan man finne en defekt. Men som nevnt ovenfor, dannes herreløse felt ikke bare fra defekter, men også fra strukturelle inhomogeniteter av metallet, fra spor av mekaniske påvirkninger, etc.
La oss vurdere et forenklet bilde av dannelsen av herreløse felt på en enkel del (Figur 44) lik den som er vist i Figur 41, og grafer over projeksjonsavhengigheter H z, H x fra koordinaten x(defekten er forlenget langs aksen y).
Avhengighetsgrafer H x og hz fra x det er veldig vanskelig å oppdage en defekt, siden verdiene til ekstrema H x og hz over en defekt og over inhomogeniteter er sammenlignbare.
Veien ut ble funnet da det ble funnet at i området for defekten er den maksimale endringshastigheten (steppheten) av magnetfeltstyrken til noen koordinater større enn andre maksima.
Figur 44 viser at den maksimale helningen til grafen H z (x) mellom punktene x 1 og x2(dvs. i defektområdet) er mye større enn andre steder.
Dermed bør enheten ikke måle projeksjonen av feltstyrken, men "hastigheten" for endringen, dvs. forholdet mellom projeksjonsforskjellen ved to tilstøtende punkter over overflaten av delen og avstanden mellom disse punktene:
(10.5)
hvor H z (x 1), H z (x 2)- vektorprojeksjonsverdier H per aksel z på poeng x 1, x 2(til venstre og høyre for defekten), Gz (x) ofte referert til som gradienten til magnetfeltet.
Avhengighet Gz (x) vist i figur 44. Avstand Dx \u003d x 2 - x 1 mellom punktene der vektorprojeksjonene måles H per aksel z, velges under hensyntagen til dimensjonene til defekt strøfelt.
Som det følger av figur 44, og dette er i god overensstemmelse med praksis, er verdien av gradienten over defekten betydelig større enn dens verdi over inhomogenitetene til metalldelen. Det er dette som gjør det mulig å pålitelig registrere en defekt ved å overskride terskelverdien med gradienten (Figur 44).
Ved å velge ønsket terskelverdi er det mulig å redusere kontrollfeil til minimumsverdiene.
Figur 44 Kraftlinjer for magnetfeltet til defekten og inhomogeniteter til metalldelen.
10.6 Ferroprobe-metoden
Fluxgate-metoden er basert på måling av magnetfeltstyrkegradienten skapt av en defekt i et magnetisert produkt med en fluxgate-enhet og sammenligning av måleresultatet med en terskel.
Utenfor den kontrollerte delen er det et visst magnetfelt som skapes for å magnetisere det. Bruken av en feildetektor - gradiometer sikrer valget av et signal forårsaket av en defekt mot bakgrunnen av en ganske stor komponent av magnetfeltstyrken som sakte endres i rommet.
En fluxgate-feildetektor bruker en transduser som reagerer på gradientkomponenten til den normale komponenten av magnetfeltstyrken på deloverflaten. Feildetektortransduseren inneholder to parallelle stenger laget av en spesiell myk magnetisk legering. Ved inspeksjon er stengene vinkelrett på overflaten av delen, dvs. er parallelle med den normale komponenten av magnetfeltstyrken. Stengene har identiske viklinger som det går en vekselstrøm gjennom. Disse viklingene er koblet i serie. Vekselstrøm skaper variable komponenter av magnetfeltstyrken i stengene. Disse komponentene faller sammen i størrelse og retning. I tillegg er det en konstant komponent av magnetfeltstyrken til delen ved plasseringen av hver stang. Verdi Δx, som er inkludert i formelen (10.5), er lik avstanden mellom aksene til stengene og kalles basen til omformeren. Utgangsspenningen til omformeren bestemmes av forskjellen mellom vekselspenningene på viklingene.
La oss plassere feildetektoromformeren på delen av delen uten en defekt, der verdiene av magnetfeltstyrken i punktene x 1; x 2(se formel (10.5)) er de samme. Dette betyr at gradienten til magnetfeltet er null. Da vil de samme konstante og variable komponentene i magnetfeltet virke på hver stav i omformeren. Disse komponentene vil like remagnetisere stengene, slik at spenningene på viklingene er lik hverandre. Spenningsforskjellen som definerer utgangssignalet er null. Dermed reagerer ikke feildetektortransduseren på et magnetfelt hvis det ikke er noen gradient.
Hvis gradienten til magnetfeltstyrken ikke er lik null, vil stengene være i det samme vekslende magnetfeltet, men de konstante komponentene vil være forskjellige. Hver stang remagnetiseres ved å veksle viklingsstrøm fra en tilstand med magnetisk induksjon - I S til + I S I henhold til loven elektromagnetisk induksjon spenning på viklingen kan bare vises når den magnetiske induksjonen endres. Derfor kan perioden med vekselstrømsvingninger deles inn i intervaller når stangen er i metning, og derfor er spenningen på viklingen null, og i tidsintervaller når det ikke er metning, noe som betyr at spenningen er forskjellig fra null . I de tidsperioder hvor begge stengene ikke er magnetisert til metning, vises de samme spenningene på viklingene. På dette tidspunktet er utgangssignalet null. Det samme vil skje med samtidig metning av begge stengene, når det ikke er spenning på viklingene. Utgangsspenningen vises når en kjerne er i mettet tilstand og den andre er i umettet tilstand.
Den samtidige virkningen av de konstante og variable komponentene i magnetfeltstyrken fører til at hver kjerne er i en mettet tilstand i mer enn lang tid enn i den andre. En lengre metning tilsvarer tillegget av de konstante og variable komponentene av magnetfeltstyrken, til en kortere - subtraksjon. Forskjellen mellom tidsintervaller som tilsvarer verdiene av magnetisk induksjon + I S og - I S, avhenger av styrken til det konstante magnetfeltet. Tenk på tilstanden med magnetisk induksjon + I S på to transduserstenger. Ulike verdier av magnetfeltstyrken ved punktene x 1 og x 2 vil tilsvare en annen varighet av intervallene for magnetisk metning av stavene. Jo større forskjellen mellom disse verdiene av magnetfeltstyrken er, jo flere tidsintervaller er forskjellige. I løpet av de tidsperiodene når en stang er mettet og den andre er umettet, oppstår utgangsspenningen til omformeren. Denne spenningen avhenger av magnetfeltstyrkegradienten.
Magnetiske feltlinjer
Magnetiske felt, som elektriske felt, kan representeres grafisk ved hjelp av kraftlinjer. En magnetfeltlinje, eller en magnetfeltinduksjonslinje, er en linje, tangenten som i hvert punkt sammenfaller med retningen til magnetfeltinduksjonsvektoren.
 |  |
|
| en) | b) | i) |
Ris. 1.2. Kraftlinjer for likestrømmagnetfeltet (a),
sirkulær strøm (b), solenoid (c)
Magnetiske kraftlinjer, som elektriske linjer, krysser ikke hverandre. De er tegnet med en slik tetthet at antallet linjer som krysser en enhetsoverflate vinkelrett på dem er lik (eller proporsjonal med) størrelsen på magnetfeltets magnetiske induksjon på et gitt sted.
På fig. 1.2 en kraftlinjene til likestrømfeltet er vist, som er konsentriske sirkler, hvis sentrum er plassert på strømaksen, og retningen bestemmes av regelen for høyre skrue (strømmen i lederen er rettet til leser).
Linjer med magnetisk induksjon kan "vises" ved hjelp av jernspåner som er magnetisert i feltet som studeres og oppfører seg som små magnetiske nåler. På fig. 1.2 b viser kraftlinjene til magnetfeltet til den sirkulære strømmen. Magnetfeltet til solenoiden er vist i fig. 1.2 i.
Magnetfeltets kraftlinjer er lukket. Felt med lukkede kraftlinjer kalles virvelfelt. Det er klart at magnetfeltet er et virvelfelt. Dette er den vesentlige forskjellen mellom et magnetisk felt og et elektrostatisk.
I et elektrostatisk felt er kraftlinjene alltid åpne: de begynner og slutter på elektriske ladninger. Magnetiske kraftlinjer har verken begynnelse eller slutt. Dette tilsvarer det faktum at det ikke finnes magnetiske ladninger i naturen.
1.4. Biot-Savart-Laplace-loven
Franske fysikere J. Biot og F. Savard gjennomførte i 1820 en studie av magnetiske felt skapt av strømmer som strømmer gjennom tynne ledninger ulike former. Laplace analyserte de eksperimentelle dataene innhentet av Biot og Savart og etablerte et forhold som ble kalt Biot-Savart-Laplace-loven.
I henhold til denne loven kan induksjonen av magnetfeltet til enhver strøm beregnes som en vektorsum (superposisjon) av induksjonen av magnetiske felt skapt av individuelle elementære deler av strømmen. For magnetfeltinduksjon, generert av elementet nåværende lengde , Laplace fikk formelen:
, (1.3)
hvor er en vektor, modulo lik lengden av lederelementet og sammenfallende i retning med strømmen (fig. 1.3); er radiusvektoren trukket fra elementet til punktet hvor ; er modulen til radiusvektoren .
Emner for USE-kodifikatoren: interaksjon av magneter, magnetfelt til en leder med strøm.
De magnetiske egenskapene til materie har vært kjent for mennesker i lang tid. Magneter har fått navnet sitt fra den gamle byen Magnesia: et mineral (senere kalt magnetisk jernmalm eller magnetitt) var utbredt i nærheten, og deler av disse trakk til seg jerngjenstander.
Samspill mellom magneter
På to sider av hver magnet er plassert Nordpolen og sydpol. To magneter blir tiltrukket av hverandre av motsatte poler og frastøter av like poler. Magneter kan virke på hverandre selv gjennom et vakuum! Alt dette minner imidlertid om samspillet mellom elektriske ladninger samspillet mellom magneter er ikke elektrisk. Dette er bevist av følgende eksperimentelle fakta.
Den magnetiske kraften svekkes når magneten varmes opp. Styrken på samspillet mellom punktladninger avhenger ikke av temperaturen deres.
Den magnetiske kraften svekkes ved å riste magneten. Ingenting lignende skjer med elektrisk ladede legemer.
Positivt elektriske ladninger kan skilles fra negative (for eksempel ved elektrifisering av karosserier). Men det er umulig å skille magnetens poler: hvis du kutter magneten i to deler, vises poler også ved kuttepunktet, og magneten brytes opp i to magneter med motsatte poler i endene (orientert i nøyaktig det samme måte som polene til den originale magneten).
Så magnetene bestandig bipolare, de eksisterer bare i formen dipoler. Isolerte magnetiske poler (såkalt magnetiske monopoler- analoger av elektrisk ladning) i naturen eksisterer ikke (i alle fall er de ikke eksperimentelt oppdaget ennå). Dette er kanskje den mest imponerende asymmetrien mellom elektrisitet og magnetisme.
Som elektrisk ladede kropper virker magneter på elektriske ladninger. Imidlertid virker magneten bare på flytte lade; Hvis ladningen er i ro i forhold til magneten, virker ingen magnetisk kraft på ladningen. Tvert imot, et elektrifisert organ handler på enhver ladning, uansett om den er i ro eller i bevegelse.
I henhold til moderne konsepter av teorien om kortdistansehandling, utføres interaksjonen mellom magneter gjennom magnetfelt En magnet skaper nemlig et magnetfelt i det omkringliggende rommet, som virker på en annen magnet og forårsaker en synlig tiltrekning eller frastøting av disse magnetene.
Et eksempel på en magnet er magnetisk nål kompass. Ved hjelp av en magnetisk nål kan man bedømme tilstedeværelsen av et magnetfelt i et gitt område av rommet, samt retningen til feltet.
Jorden vår er en gigantisk magnet. Ikke langt fra jordens geografiske nordpol ligger den magnetiske sørpolen. Derfor peker den nordlige enden av kompassnålen, som vender mot den sørlige magnetiske polen til jorden, mot det geografiske nord. Derfor oppsto faktisk navnet "nordpolen" til magneten.
Magnetiske feltlinjer
Det elektriske feltet, husker vi, undersøkes ved hjelp av små testladninger, ved handlingen som man kan bedømme feltets størrelse og retning. En analog av en testladning i tilfelle av et magnetfelt er en liten magnetisk nål.
For eksempel kan du få en geometrisk ide om magnetfeltet ved å plassere veldig små kompassnåler på forskjellige punkter i rommet. Erfaring viser at pilene vil stille seg opp langs bestemte linjer - de såkalte magnetiske feltlinjer. La oss definere dette konseptet i form av de følgende tre avsnittene.
1. Linjer i et magnetfelt, eller magnetiske kraftlinjer, er rettede linjer i rommet som har følgende egenskap: en liten kompassnål plassert ved hvert punkt på en slik linje er orientert tangentielt til denne linjen.
2. Retningen til den magnetiske feltlinjen er retningen til de nordlige endene av kompassnålene plassert ved punktene på denne linjen.
3. Jo tykkere linjene går, jo sterkere er magnetfeltet i et gitt område i rommet..
Rollen til kompassnåler kan med hell utføres av jernspon: i et magnetfelt magnetiseres små spåner og oppfører seg nøyaktig som magnetiske nåler.
Så, etter å ha hellet jernspon rundt en permanent magnet, vil vi omtrent se følgende bilde av magnetiske feltlinjer (fig. 1).
Ris. 1. Permanent magnetfelt
Nordpolen til magneten er angitt i blått og bokstaven ; sørpolen - i rødt og bokstaven . Merk at feltlinjene går ut av nordpolen til magneten og går inn i sørpolen, fordi det er mot sørpolen til magneten nordenden av kompassnålen vil peke.
Ørsteds erfaring
Til tross for at elektriske og magnetiske fenomener har vært kjent for folk siden antikken, har det ikke vært observert noe forhold mellom dem på lang tid. I flere århundrer foregikk forskningen på elektrisitet og magnetisme parallelt og uavhengig av hverandre.
Det bemerkelsesverdige faktum at elektriske og magnetiske fenomener faktisk er relatert til hverandre ble først oppdaget i 1820 i det berømte eksperimentet til Oersted.
Oppsettet for Oersteds eksperiment er vist i fig. 2 (bilde fra rt.mipt.ru). Over den magnetiske nålen (og - nord- og sørpolen til pilen) er en metallleder koblet til en strømkilde. Hvis du lukker kretsen, svinger pilen vinkelrett på lederen!
Dette enkle eksperimentet pekte direkte på forholdet mellom elektrisitet og magnetisme. Eksperimentene som fulgte Oersteds erfaring etablerte sterkt følgende mønster: magnetisk felt genereres elektriske strømmer og virker på strømninger.
Ris. 2. Oersteds eksperiment
Bildet av linjene i magnetfeltet generert av en leder med strøm avhenger av lederens form.
Magnetisk felt av en rett ledning med strøm
De magnetiske feltlinjene til en rett ledning som fører strøm er konsentriske sirkler. Sentrene til disse sirklene ligger på ledningen, og deres plan er vinkelrett på ledningen (fig. 3).
Ris. 3. Felt til en direkte ledning med strøm
Det er to alternative regler for å bestemme retningen til likestrøms magnetfeltlinjer.
timeviserregel. Feltlinjene går mot klokken når de sees slik at strømmen flyter mot oss..
skrueregel(eller gimlet regel, eller korketrekker regel- det er nærmere noen ;-)). Feltlinjene går der skruen (med konvensjonell høyregjenger) må dreies for å bevege seg langs gjengen i strømmens retning.
Bruk den regelen som passer deg best. Det er bedre å venne seg til klokka-regelen - du vil selv senere se at den er mer universell og enklere å bruke (og så huske den med takknemlighet i ditt første år når du studerer analytisk geometri).
På fig. 3, noe nytt har også dukket opp: dette er en vektor, som kalles magnetisk feltinduksjon, eller magnetisk induksjon. Den magnetiske induksjonsvektoren er en analog av vektoren for elektrisk feltstyrke: den tjener kraftkarakteristikk magnetisk felt, som bestemmer kraften som magnetfeltet virker på bevegelige ladninger.
Vi vil snakke om krefter i et magnetfelt senere, men foreløpig vil vi bare merke oss at størrelsen og retningen til magnetfeltet bestemmes av den magnetiske induksjonsvektoren. Ved hvert punkt i rommet er vektoren rettet i samme retning som den nordlige enden av kompassnålen plassert på dette punktet, nemlig tangenten til feltlinjen i retning av denne linjen. Den magnetiske induksjonen måles i teslach(Tl).
Som i tilfellet med et elektrisk felt, for induksjon av et magnetfelt, superposisjonsprinsipp. Det ligger i det faktum at induksjon av magnetiske felt opprettet på et gitt punkt av forskjellige strømmer legges til vektorielt og gir den resulterende vektoren for magnetisk induksjon:.
Magnetfeltet til en spole med strøm
Tenk på en sirkulær spole som en likestrøm sirkulerer gjennom. Vi viser ikke kilden som skaper strømmen i figuren.
Bildet av linjene i feltet for vår tur vil ha omtrentlig følgende form (fig. 4).
Ris. 4. Spolens felt med strøm
Det vil være viktig for oss å kunne bestemme i hvilket halvrom (i forhold til spolens plan) magnetfeltet er rettet. Igjen har vi to alternative regler.
timeviserregel. Feltlinjene går dit og ser fra hvor strømmen ser ut til å sirkulere mot klokken.
skrueregel. Feltlinjene går der skruen (med konvensjonelle høyregjenger) ville beveget seg hvis den ble rotert i strømmens retning.
Som du kan se, er rollene til strømmen og feltet reversert - sammenlignet med formuleringene til disse reglene for tilfelle av likestrøm.
Magnetfeltet til en spole med strøm
Spole det vil vise seg, hvis det er tett, spole til spole, for å vikle ledningen inn i en tilstrekkelig lang spiral (fig. 5 - bilde fra nettstedet en.wikipedia.org). Spolen kan ha flere titalls, hundrevis eller til og med tusenvis av svinger. Spolen kalles også solenoid.
Ris. 5. Spole (solenoid)
Magnetfeltet til en sving, som vi vet, ser ikke veldig enkelt ut. Enger? individuelle vendinger av spolen er lagt over hverandre, og det ser ut til at resultatet skulle være et veldig forvirrende bilde. Dette er imidlertid ikke tilfelle: Feltet til en lang spole har en uventet enkel struktur (fig. 6).
Ris. 6. spolefelt med strøm
I denne figuren går strømmen i spolen mot klokken sett fra venstre (dette vil skje hvis, i fig. 5, høyre ende av spolen er koblet til "pluss" av strømkilden, og venstre ende til "minus"). Vi ser at magnetfeltet til spolen har to karakteristiske egenskaper.
1. Inne i spolen, vekk fra kantene, er magnetfeltet homogen: ved hvert punkt er den magnetiske induksjonsvektoren den samme i størrelse og retning. Feltlinjene er parallelle rette linjer; de bøyer seg bare nær kantene på spolen når de går ut.
2. Utenfor spolen er feltet nær null. Jo flere svinger i spolen, jo svakere er feltet utenfor den.
Merk at en uendelig lang spole ikke sender ut et felt i det hele tatt: det er ikke noe magnetfelt utenfor spolen. Inne i en slik spole er feltet jevnt overalt.
Minner det deg ikke om noe? En spole er det "magnetiske" motstykket til en kondensator. Du husker at en kondensator skaper en homogen elektrisk felt, hvis linjer er bøyd bare nær kantene på platene, og utenfor kondensatoren, er feltet nær null; en kondensator med uendelige plater slipper ikke feltet i det hele tatt, og feltet er ensartet overalt inne i det.
Og nå - den viktigste observasjonen. Sammenlign, vær så snill, bildet av magnetfeltlinjene utenfor spolen (fig. 6) med feltlinjene til magneten i fig. en . Det er det samme, er det ikke? Og nå kommer vi til et spørsmål som du sannsynligvis hadde for lenge siden: hvis et magnetfelt genereres av strømmer og virker på strømmer, hva er da årsaken til utseendet til et magnetfelt nær en permanent magnet? Tross alt ser ikke denne magneten ut til å være en leder med strøm!
Ampères hypotese. Elementære strømmer
Først trodde man at samspillet mellom magneter skyldtes spesielle magnetiske ladninger konsentrert ved polene. Men, i motsetning til elektrisitet, kunne ingen isolere den magnetiske ladningen; tross alt, som vi allerede har sagt, var det ikke mulig å oppnå separat nord- og sørpolen til magneten - polene er alltid til stede i magneten i par.
Tvilen om magnetiske ladninger ble forverret av erfaringen til Oersted, da det viste seg at magnetfeltet genereres av en elektrisk strøm. Dessuten viste det seg at for enhver magnet er det mulig å velge en leder med en strøm av passende konfigurasjon, slik at feltet til denne lederen faller sammen med magnetfeltet.
Ampere la frem en dristig hypotese. Det er ingen magnetiske ladninger. Virkningen til en magnet forklares av lukkede elektriske strømmer inne i den..
Hva er disse strømmene? Disse elementære strømmer sirkulere innenfor atomer og molekyler; de er assosiert med bevegelse av elektroner i atombaner. Magnetfeltet til ethvert legeme består av magnetfeltene til disse elementære strømmene.
Elementærstrømmer kan være tilfeldig plassert i forhold til hverandre. Da kansellerer feltene deres hverandre, og kroppen viser ikke magnetiske egenskaper.
Men hvis elementære strømmer er koordinert, så forsterker feltene deres hverandre. Kroppen blir til en magnet (fig. 7; magnetfeltet vil rettes mot oss; magnetens nordpol vil også rettes mot oss).
Ris. 7. Elementære magnetstrømmer
Amperes hypotese om elementærstrømmer klargjorde egenskapene til magneter.Oppvarming og risting av en magnet ødelegger arrangementet av dens elementære strømmer, og de magnetiske egenskapene svekkes. Uatskilleligheten til magnetpolene ble åpenbar: på stedet der magneten ble kuttet, får vi de samme elementære strømmene i endene. Evnen til et legeme til å magnetiseres i et magnetfelt forklares av den koordinerte justeringen av elementære strømmer som "snuer" riktig (les om rotasjonen av en sirkulær strøm i et magnetfelt i neste ark).
Amperes hypotese viste seg å være riktig - dette ble vist av den videre utviklingen av fysikken. Begrepet elementære strømninger har blitt en integrert del av teorien om atomet, utviklet allerede på det tjuende århundre – nesten hundre år etter Ampères strålende gjetning.
