Linie sił magnetycznych są. Co to są linie pola magnetycznego

Co wiemy o liniach energetycznych? pole magnetyczne, poza tym, że w przestrzeni lokalnej w pobliżu magnesów trwałych lub przewodników przewodzących prąd istnieje pole magnetyczne, które objawia się w postaci linii sił lub w bardziej znanej kombinacji - w postaci linii sił magnetycznych?

Jest bardzo wygodnym sposobem uzyskaj wyraźny obraz linii pola magnetycznego za pomocą opiłków żelaza. Aby to zrobić, należy posypać kartkę papieru lub tektury opiłkami żelaza i przysunąć od dołu jeden z biegunów magnesu. Trociny są namagnesowane i układane wzdłuż linii pola magnetycznego w postaci łańcuchów mikromagnesów. W fizyce klasycznej linie pola magnetycznego definiuje się jako linie pola magnetycznego, których styczne w każdym punkcie wskazują kierunek pola w tym punkcie.

Na przykładzie kilku figur o różnym położeniu linii pola magnetycznego rozważmy naturę pola magnetycznego wokół przewodników z prądem i magnesów trwałych.

Rysunek 1 przedstawia widok linii sił magnetycznych okrągłej cewki z prądem, a rysunek 2 przedstawia obraz linii sił magnetycznych wokół prostego drutu z prądem. Na ryc. 2 zamiast trocin zastosowano małe strzałki magnetyczne. Rysunek ten pokazuje, że gdy zmienia się kierunek prądu, zmienia się również kierunek linii pola magnetycznego. Zależność pomiędzy kierunkiem prądu a kierunkiem linii sił magnetycznych określa się zwykle za pomocą „reguły świdra”, której obrót rączki będzie wskazywał kierunek linii sił magnetycznych, jeśli świder zostanie wkręcony w kierunek prądu.

Ryc. 3 przedstawia obraz linii sił magnetycznych magnesu paskowego, a ryc. 4 przedstawia obraz linii sił magnetycznych długiego solenoidu z prądem. Na uwagę zasługuje podobieństwo w zewnętrznym położeniu linii pola magnetycznego na obu rysunkach (rys. 3 i ryc. 4). Linie siły z jednego końca elektromagnesu z prądem rozciągają się na drugi w taki sam sposób, jak w przypadku magnesu paskowego. Sam kształt linii sił magnetycznych na zewnątrz cewki przewodzącej prąd jest identyczny z kształtem linii magnesu taśmowego. Cewka przewodząca prąd ma również bieguny północny i południowy oraz strefę neutralną. Dwa solenoidy przewodzące prąd lub elektromagnes i magnes oddziałują jak dwa magnesy.

Co można zobaczyć, patrząc na obrazy pól magnetycznych magnesów trwałych, prostych przewodników przewodzących prąd lub cewek przewodzących prąd zawierających opiłki żelaza? główna cecha Linie sił magnetycznych, jak pokazują zdjęcia ułożenia trocin, to ich zamknięcie. Inną cechą linii sił magnetycznych jest ich kierunek. Mała igła magnetyczna umieszczona w dowolnym punkcie pola magnetycznego wskaże kierunek linii pola magnetycznego wraz z biegunem północnym. Dla pewności zgodziliśmy się założyć, że linie pola magnetycznego wychodzą z północnego bieguna magnetycznego magnesu paskowego i wchodzą w jego biegun południowy. Lokalna przestrzeń magnetyczna w pobliżu magnesów lub przewodników przewodzących prąd jest ciągłym ośrodkiem elastycznym. Elastyczność tego ośrodka potwierdzają liczne eksperymenty, np. z odpychaniem jednakowych biegunów magnesów trwałych.

Jeszcze wcześniej postawiłem hipotezę, że pole magnetyczne wokół magnesów lub przewodników z prądem jest ciągłym ośrodkiem elastycznym o właściwościach magnetycznych, w którym powstają fale interferencyjne. Niektóre z tych fal są zamknięte. To właśnie w tym ciągłym ośrodku elastycznym powstaje wzór interferencyjny linii pola magnetycznego, który objawia się opiłkami żelaza. Ośrodek ciągły powstaje w wyniku promieniowania ze źródeł znajdujących się w mikrostrukturze materii.

Przypomnijmy sobie eksperymenty z interferencją fal z podręcznika fizyki, w których oscylująca płyta z dwoma punktami uderza w wodę. Doświadczenie to pokazuje, że wzajemne przecięcie się dwóch fal pod różnymi kątami nie ma żadnego wpływu na ich dalszy ruch. Innymi słowy, fale przechodzą przez siebie bez dalszego wpływu na propagację każdej z nich. W przypadku fal świetlnych (elektromagnetycznych) obowiązuje ten sam wzór.

Co dzieje się w tych obszarach przestrzeni, w których przecinają się dwie fale (ryc. 5) - nakładają się na siebie? Każda cząstka ośrodka znajdująca się na drodze dwóch fal jednocześnie uczestniczy w oscylacjach tych fal, tj. jego ruch jest sumą oscylacji dwóch fal. Oscylacje te przedstawiają obraz fal interferencyjnych z ich maksimami i minimami w wyniku superpozycji dwóch lub więcej fale, tj. dodanie ich oscylacji w każdym punkcie ośrodka, przez który te fale przechodzą. Doświadczenia wykazały, że zjawisko interferencji obserwuje się zarówno w falach rozchodzących się w ośrodkach, jak i w fale elektromagnetyczne, czyli interferencja jest wyłącznie właściwością fal i nie zależy ani od właściwości ośrodka, ani od jego obecności. Należy pamiętać, że interferencja fal ma miejsce pod warunkiem, że oscylacje są spójne (zharmonizowane), czyli tj. oscylacje muszą mieć stałą różnicę faz w czasie i tę samą częstotliwość.

W naszym przypadku z opiłkami żelaza linie sił magnetycznych są linie z największa liczba trociny zlokalizowane w maksimach fal zakłócających oraz linie z mniejszą liczbą trocin zlokalizowane pomiędzy maksimami (przy minimach) fal zakłócających.

Na podstawie powyższej hipotezy można wyciągnąć następujące wnioski.

1. Pole magnetyczne to ośrodek powstający w pobliżu trwały magnes lub przewodnik, w którym płynie prąd w wyniku promieniowania ze źródeł znajdujących się w mikrostrukturze magnesu lub przewodnika poszczególnych fal mikromagnetycznych.

2. Te fale mikromagnetyczne oddziałują w każdym punkcie pola magnetycznego, tworząc wzór interferencyjny w postaci linii pola magnetycznego.

3. Fale mikromagnetyczne to zamknięte wiry mikroenergetyczne z mikrobiegunami, które mogą się przyciągać, tworząc elastyczne, zamknięte linie.

4. Mikroźródła w mikrostrukturze materii, emitujące fale mikromagnetyczne tworzące obraz interferencyjny pola magnetycznego, mają tę samą częstotliwość oscylacji, a ich promieniowanie ma stałą różnicę faz w czasie.

Jak zachodzi proces namagnesowania ciał, który prowadzi do powstania wokół nich pola magnetycznego, tj. jakie procesy zachodzą w mikrostrukturze magnesów i przewodników przewodzących prąd? Aby odpowiedzieć na to i inne pytania, należy przypomnieć niektóre cechy budowy atomu.

POLE MAGNETYCZNE. PODSTAWY KONTROLI FLUKTU

Żyjemy w ziemskim polu magnetycznym. Przejawem pola magnetycznego jest to, że igła kompasu magnetycznego stale wskazuje północ. ten sam wynik można uzyskać umieszczając igłę kompasu magnetycznego pomiędzy biegunami magnesu trwałego (ryc. 34).

Rysunek 34 - Orientacja igły magnetycznej w pobliżu biegunów magnesu

Zwykle jeden z biegunów magnesu (południowy) jest oznaczony literą S, inny - (północny) - list N. Rycina 34 przedstawia dwie pozycje igły magnetycznej. W każdej pozycji przeciwne bieguny strzałki i magnesu przyciągają się. Dlatego kierunek igły kompasu zmienił się, gdy tylko przesunęliśmy ją z pozycji 1 na pozycję 2 . Przyczyną przyciągania magnesu i obrotu strzałki jest pole magnetyczne. Obracanie strzałki w górę i w prawo pokazuje kierunek pola magnetycznego różne punkty przestrzeń nie pozostaje niezmieniona.

Rycina 35 przedstawia wynik eksperymentu z proszkiem magnetycznym nasypanym na kartkę grubego papieru, która znajduje się nad biegunami magnesu. Można zauważyć, że cząstki proszku tworzą linie.

Cząsteczki proszku wchodzące w pole magnetyczne ulegają namagnesowaniu. Każda cząstka ma biegun północny i południowy. Znajdujące się w pobliżu cząsteczki proszku nie tylko wirują w polu magnetycznym, ale także sklejają się ze sobą, układając się w linie. Linie te nazywane są zwykle liniami pola magnetycznego.

Rysunek 35. Rozmieszczenie cząstek proszku magnetycznego na kartce papieru umieszczonej nad biegunami magnesu

Umieszczając igłę magnetyczną w pobliżu takiej linii, zauważysz, że igła jest ułożona stycznie. W liczbach 1 , 2 , 3 Rysunek 35 przedstawia orientację igły magnetycznej w odpowiednich punktach. W pobliżu biegunów gęstość proszku magnetycznego jest większa niż w innych punktach arkusza. Oznacza to, że wielkość pola magnetycznego ma tam wartość maksymalną. Zatem pole magnetyczne w każdym punkcie jest określone przez wartość wielkości charakteryzującej pole magnetyczne i jego kierunek. Wielkości takie nazywane są zwykle wektorami.

Umieśćmy stalową część pomiędzy biegunami magnesu (Rysunek 36). Kierunek linii energetycznych w części pokazano strzałkami. W części pojawią się także linie pola magnetycznego, tyle że będzie ich znacznie więcej niż w powietrzu.

Rysunek 36 Magnesowanie części o prostym kształcie

Faktem jest, że część stalowa zawiera żelazo, składające się z mikromagnesów zwanych domenami. Przyłożenie pola magnesującego do części powoduje, że zaczynają one orientować się w kierunku tego pola i wielokrotnie je wzmacniać. Można zauważyć, że linie pola w części są do siebie równoległe, natomiast pole magnetyczne jest stałe. Pole magnetyczne, które charakteryzuje się prostymi równoległymi liniami siły narysowanymi o tej samej gęstości, nazywa się jednorodnym.

10.2 Wielkości magnetyczne

Najważniejszą wielkością fizyczną charakteryzującą pole magnetyczne jest wektor indukcji magnetycznej, który jest zwykle oznaczany W. Dla każdej wielkości fizycznej zwyczajowo podaje się jej wymiar. Zatem jednostką prądu jest amper (A), jednostką indukcji magnetycznej jest Tesla (T). Indukcja magnetyczna w namagnesowanych częściach zwykle mieści się w zakresie od 0,1 do 2,0 Tesli.

Igła magnetyczna umieszczona w jednolitym polu magnetycznym będzie się obracać. Moment siły obracający go wokół własnej osi jest proporcjonalny do indukcji magnetycznej. Indukcja magnetyczna charakteryzuje również stopień namagnesowania materiału. Linie siły pokazane na rysunkach 34, 35 charakteryzują zmianę indukcji magnetycznej w powietrzu i materiale (częściach).

Indukcja magnetyczna określa pole magnetyczne w każdym punkcie przestrzeni. Aby scharakteryzować pole magnetyczne na jakiejś powierzchni (na przykład w płaszczyźnie przekroju części), inną wielkość fizyczna, który nazywa się strumieniem magnetycznym i jest oznaczony Φ.

Niech równomiernie namagnesowana część (rysunek 36) będzie charakteryzowała się wartością indukcji magnetycznej W, pole przekroju części jest równe S, wówczas strumień magnetyczny określa się ze wzoru:

Jednostka strumień magnetyczny- Weber (Wb).

Spójrzmy na przykład. Indukcja magnetyczna w części wynosi 0,2 T, pole przekroju poprzecznego wynosi 0,01 m2. Wtedy strumień magnetyczny wynosi 0,002 Wb.

Umieśćmy długi, cylindryczny żelazny pręt w jednolitym polu magnetycznym. Niech oś symetrii pręta pokrywa się z kierunkiem linii siły. Wtedy pręt będzie równomiernie namagnesowany niemal wszędzie. Indukcja magnetyczna w pręcie będzie znacznie większa niż w powietrzu. Współczynnik indukcji magnetycznej w materiale B m na indukcję magnetyczną w powietrzu W W nazywana przenikalnością magnetyczną:

μ=Bm/Bcal. (10.2)

Przenikalność magnetyczna jest wielkością bezwymiarową. Dla różnych gatunków stali przenikalność magnetyczna waha się od 200 do 5000.

Indukcja magnetyczna zależy od właściwości materiału, co komplikuje obliczenia techniczne procesów magnetycznych. Dlatego wprowadzono wielkość pomocniczą niezależną od właściwości magnetycznych materiału. Nazywa się to wektorem natężenia pola magnetycznego i jest oznaczony H. Jednostką natężenia pola magnetycznego jest amper/metr (A/m). Podczas nieniszczących badań magnetycznych części natężenie pola magnetycznego waha się od 100 do 100 000 A/m.

Między indukcją magnetyczną W W i natężenie pola magnetycznego N w powietrzu wisi prosta zależność:

V w =μ 0 H, (10,3)

Gdzie µ0 = 4π 10 –7 Henry/metr – stała magnetyczna.

Natężenie pola magnetycznego i indukcja magnetyczna w materiale są ze sobą powiązane zależnością:

B=μμ 0 H (10,4)

Siła pola magnetycznego N - wektor. Gdy testowanie fluxgate wymaga określenia składowych tego wektora na powierzchni części. Komponenty te można określić za pomocą rysunku 37. Tutaj powierzchnię części traktuje się jako płaszczyznę xy, oś z prostopadle do tej płaszczyzny.

Na rysunku 1.4 od wierzchołka wektora H prostopadła zostaje upuszczona na płaszczyznę x, y. Do punktu przecięcia prostopadłej i płaszczyzny z początku współrzędnych rysowany jest wektor H  co nazywa się składową styczną natężenia pola magnetycznego wektora H . Opuszczanie prostopadłych z wierzchołka wektora H na osi X I y, definiujemy rzuty Hx I H y wektor H. Występ H na oś z zwany normalnym składnikiem natężenia pola magnetycznego Hn . Podczas badań magnetycznych najczęściej mierzone są składowe styczna i normalna natężenia pola magnetycznego.

Rysunek 37 Wektor natężenia pola magnetycznego i jego rzut na powierzchnię części

10.3 Krzywa magnesowania i pętla histerezy

Rozważmy zmianę indukcji magnetycznej początkowo rozmagnesowanego materiału ferromagnetycznego wraz ze stopniowym wzrostem natężenia zewnętrznego pola magnetycznego. Wykres odzwierciedlający tę zależność pokazano na rysunku 38 i nazywa się krzywą początkowego namagnesowania. W obszarze słabych pól magnetycznych nachylenie tej krzywej jest stosunkowo małe, a następnie zaczyna rosnąć, osiągając wartość maksymalną. Przy jeszcze większych wartościach natężenia pola magnetycznego nachylenie maleje tak, że zmiana indukcji magnetycznej wraz ze wzrostem pola staje się nieistotna – następuje nasycenie magnetyczne, które charakteryzuje się wielkością B S. Rysunek 39 przedstawia zależność przenikalności magnetycznej od natężenia pola magnetycznego. Zależność tę charakteryzują dwie wartości: początkowa μn i maksymalna μm przenikalności magnetycznej. W obszarze silnych pól magnetycznych przepuszczalność maleje wraz ze wzrostem pola. Wraz z dalszym wzrostem zewnętrznego pola magnetycznego namagnesowanie próbki pozostaje praktycznie niezmienione, a indukcja magnetyczna wzrasta tylko z powodu pola zewnętrznego .

Rysunek 38. Krzywa początkowego magnesowania

Rysunek 39. Zależność przepuszczalności od natężenia pola magnetycznego

Nasycenie indukcją magnetyczną B S zależy głównie od skład chemiczny materiał dla stali konstrukcyjnych i elektrycznych wynosi 1,6-2,1 T. Przepuszczalność magnetyczna zależy nie tylko od składu chemicznego, ale także od obróbki cieplnej i mechanicznej.

Rysunek 40 Pętle histerezy granicznej (1) i częściowej (2).

W zależności od wielkości siły koercyjnej materiały magnetyczne dzielą się na materiały magnetyczne miękkie (Hc< 5 000 А/м) и магнитотвердые (H c >5000 A/m).

Miękkie materiały magnetyczne wymagają stosunkowo niskich pól, aby osiągnąć nasycenie. Materiały magnetyczne twarde są trudne do namagnesowania i ponownego namagnesowania.

Większość stali konstrukcyjnych to miękkie materiały magnetyczne. W przypadku stali elektrotechnicznej i stopów specjalnych siła koercji wynosi 1-100 A/m, dla stali konstrukcyjnych - nie więcej niż 5000 A/m. W mocowaniach z magnesami trwałymi stosuje się twarde materiały magnetyczne.

Podczas odwrócenia namagnesowania materiał jest ponownie nasycany, ale wartość indukcji ma inny znak (– B S), co odpowiada ujemnemu natężeniu pola magnetycznego. Wraz z późniejszym wzrostem natężenia pola magnetycznego w kierunku wartości dodatnich, indukcja będzie zmieniać się wzdłuż innej krzywej, zwanej rosnącą gałęzią pętli. Obie gałęzie: zstępująca i rosnąca tworzą zamkniętą krzywą zwaną pętlą graniczną histerezy magnetycznej. Pętla ograniczająca ma kształt symetryczny i odpowiada maksymalnej wartości indukcji magnetycznej równej B S. Przy symetrycznej zmianie natężenia pola magnetycznego w mniejszych granicach, indukcja zmieni się wzdłuż nowej pętli. Pętla ta znajduje się w całości wewnątrz pętli granicznej i nazywa się ją symetryczną pętlą częściową (Rysunek 40).

Parametry granicznej pętli histerezy magnetycznej ważna rola ze sterowaniem fluxgatem. Na wysokie wartości Indukcję resztkową i siłę koercji można monitorować poprzez wstępne namagnesowanie materiału części aż do nasycenia, a następnie wyłączenie źródła pola. Namagnesowanie części będzie wystarczające do wykrycia defektów.

Jednocześnie zjawisko histerezy prowadzi do konieczności kontrolowania stanu magnetycznego. W przypadku braku rozmagnesowania materiał części może znajdować się w stanie odpowiadającym indukcji - B r . Następnie włączenie pola magnetycznego o dodatniej polaryzacji, na przykład równej Hc, możemy nawet rozmagnesować część, chociaż powinniśmy ją namagnesować.

Ważna jest również przepuszczalność magnetyczna. Więcej μ , tym niższa wymagana wartość natężenia pola magnetycznego do namagnesowania części. Dlatego Specyfikacja techniczna urządzenie magnesujące musi być zgodne z parametrami magnetycznymi badanego obiektu.

10.4 Pole magnetyczne rozpraszania defektów

Pole magnetyczne uszkodzonej części ma swoją własną charakterystykę. Weźmy namagnesowany stalowy pierścień (część) z wąską szczeliną. Lukę tę można uznać za wadę części. Jeśli zakryjesz pierścień kartką papieru posypaną proszkiem magnetycznym, zobaczysz obraz podobny do tego pokazanego na rysunku 35. Arkusz papieru znajduje się na zewnątrz pierścienia, a tymczasem cząsteczki proszku układają się wzdłuż określonych linii. W ten sposób linie pola magnetycznego częściowo przechodzą na zewnątrz części, opływając defekt. Ta część pola magnetycznego nazywana jest polem rozproszenia defektu.

Rysunek 41 przedstawia długie pęknięcie części, zlokalizowane prostopadle do linii pola magnetycznego oraz układ linii pola w pobliżu defektu.

Rysunek 41 Przepływ linii sił wokół pęknięcia powierzchniowego

Można zauważyć, że linie pola magnetycznego opływają szczelinę wewnątrz i na zewnątrz części. Tworzenie się rozproszonego pola magnetycznego w wyniku defektu podpowierzchniowego można wyjaśnić za pomocą rysunku 42, który pokazuje przekrój namagnesowanej części. Linie siły indukcji magnetycznej należą do jednego z trzech odcinków przekroju poprzecznego: nad wadą, w strefie wady i poniżej wady. Iloczyn indukcji magnetycznej i pola przekroju poprzecznego określa strumień magnetyczny. Składniki całkowitego strumienia magnetycznego w tych sekcjach są oznaczone jako Φ 1 ,.., Część strumienia magnetycznego F 2, będzie płynął powyżej i poniżej sekcji S2. Dlatego strumienie magnetyczne w sekcjach S 1 I S 3 będzie większa niż w przypadku części wolnej od wad. To samo można powiedzieć o indukcji magnetycznej. Inny ważna cecha linie siły indukcji magnetycznej to ich krzywizna powyżej i poniżej defektu. W rezultacie część linii pola opuszcza część, tworząc pole magnetyczne rozpraszające defekt.

3 .

Rysunek 42 Pole rozpraszające defektu podpowierzchniowego

Pole magnetyczne wycieku można określić ilościowo na podstawie strumienia magnetycznego opuszczającego część, co nazywa się strumieniem wycieku. Im większy strumień magnetyczny, tym większy strumień magnetyczny rozproszenia Φ 2 w przekroju S2. Powierzchnia przekroju S2 proporcjonalna do cosinusa kąta  , pokazano na rysunku 42. Przy  = 90° obszar ten wynosi zero, przy  =0° to ma największe znaczenie.

Zatem, aby zidentyfikować wady, konieczne jest, aby linie indukcji magnetycznej w strefie kontroli części były prostopadłe do płaszczyzny podejrzanej wady.

Rozkład strumienia magnetycznego na przekroju uszkodzonej części jest podobny do rozkładu przepływu wody w kanale z przeszkodą. Wysokość fali w strefie całkowicie zanurzonej przeszkody będzie tym większa, im bliżej powierzchni wody znajduje się grzbiet przeszkody. Podobnie defekt podpowierzchniowy w części jest łatwiejszy do wykrycia, im mniejsza jest głębokość jego występowania.

10.5 Wykrywanie usterek

Do wykrycia defektów potrzebne jest urządzenie pozwalające określić charakterystykę pola rozpraszania defektu. To pole magnetyczne można określić na podstawie jego składników N x, N y, N z.

Jednak pola rozproszone mogą być spowodowane nie tylko defektem, ale także innymi czynnikami: niejednorodnością strukturalną metalu, gwałtowną zmianą przekroju (szczegółowo złożony kształt), obróbka, uderzenia, chropowatość powierzchni itp. Dlatego też analiza zależności choćby jednego rzutu (np. Hz) ze współrzędnych przestrzennych ( X Lub y) może być trudnym zadaniem.

Rozważmy rozproszone pole magnetyczne w pobliżu defektu (Rysunek 43). Tutaj pokazano wyidealizowane, nieskończenie długie pęknięcie o gładkich krawędziach. Jest wydłużony wzdłuż osi y, który na rysunku jest skierowany w naszą stronę. Liczby 1, 2, 3, 4 pokazują, jak zmienia się wielkość i kierunek wektora natężenia pola magnetycznego, gdy zbliża się do pęknięcia od lewej strony.

Rysunek 43. Pole magnetyczne w pobliżu defektu

Pole magnetyczne mierzone jest w pewnej odległości od powierzchni części. Trajektoria, wzdłuż której dokonywane są pomiary, jest pokazana linią przerywaną. W podobny sposób (lub wykorzystując symetrię figury) można skonstruować wielkości i kierunki wektorów po prawej stronie pęknięcia. Po prawej stronie obrazu pola rozpraszania znajduje się przykład przestrzennego położenia wektora H i jego dwa elementy Hx I Hz . Wykresy zależności projekcji Hx I Hz rozpraszanie pól ze współrzędnych X są pokazane poniżej.

Wydawałoby się, że szukając ekstremum Hx lub zera Hz, można znaleźć defekt. Ale jak zauważono powyżej, pola rozproszone powstają nie tylko z defektów, ale także z niejednorodności strukturalnej metalu, śladów wpływów mechanicznych itp.

Rozważmy uproszczony obraz powstawania pól błądzących na prostej części (ryc. 44) podobny do pokazanego na ryc. 41 oraz wykresy zależności projekcji H z , wys. x ze współrzędnych X(wada rozciąga się wzdłuż osi y).

Według wykresów zależności Hx I Hz z X wykrycie wady jest bardzo trudne, ponieważ wartości ekstremów Hx I Hz nad defektem i nad niejednorodnością są współmierne.

Rozwiązanie znaleziono, gdy odkryto, że w obszarze defektu maksymalna szybkość zmian (nachylenie) natężenia pola magnetycznego określonej współrzędnej jest większa niż innych maksimów.

Rysunek 44 pokazuje, że maksymalne nachylenie wykresu Hz(x) pomiędzy punktami x 1 I x 2(tj. w obszarze, w którym zlokalizowana jest wada) jest znacznie większa niż w pozostałych miejscach.

Urządzenie powinno zatem mierzyć nie projekcję natężenia pola, a „tempo” jego zmian, czyli tzw. stosunek różnicy rzutów w dwóch sąsiednich punktach nad powierzchnią części do odległości między tymi punktami:

(10.5)

Gdzie H z (x 1), H z (x 2)- wartości rzutowania wektorowego H na oś z w punktach x 1, x 2(z lewej i prawej strony wady), Gz(x) jest powszechnie nazywany gradientem natężenia pola magnetycznego.

Uzależnienie Gz(x) pokazano na rysunku 44. Odległość Dx = x 2 – x 1 pomiędzy punktami, w których mierzone są rzuty wektora H na oś z, dobiera się biorąc pod uwagę wielkość pola rozpraszającego defektu.

Jak wynika z rysunku 44 i jest to zgodne z praktyką, wartość gradientu powyżej wady jest znacznie większa niż jego wartość powyżej niejednorodności metalu części. Dzięki temu możliwa jest wiarygodna rejestracja wady, gdy gradient przekracza wartość progową (Rysunek 44).

Wybierając wymaganą wartość progową, można zredukować błędy sterowania do wartości minimalnych.

Rysunek 44 Linie pola magnetycznego wady i niejednorodności metalu części.

10.6 Metoda Fluxgate

Metoda fluxgate polega na pomiarze za pomocą urządzenia fluxgate gradientu natężenia rozproszonego pola magnetycznego wytworzonego przez defekt w namagnesowanym produkcie i porównaniu wyniku pomiaru z wartością progową.

Na zewnątrz kontrolowanej części powstaje pewne pole magnetyczne, które ma na celu jej namagnesowanie. Zastosowanie defektoskopu – gradiometru gwarantuje, że sygnał wywołany defektem zostanie odizolowany od tła dość dużej składowej natężenia pola magnetycznego, która powoli zmienia się w przestrzeni.

Defektoskop z bramką strumieniową wykorzystuje przetwornik, który reaguje na składową gradientową składowej normalnej natężenia pola magnetycznego na powierzchni części. Przetwornik defektoskopowy zawiera dwa równoległe pręty wykonane ze specjalnego miękkiego stopu magnetycznego. Podczas badania pręty są prostopadłe do powierzchni części, tj. równolegle do normalnej składowej natężenia pola magnetycznego. Pręty mają identyczne uzwojenia, przez które przepływa prąd przemienny. Uzwojenia te są połączone szeregowo. Prąd przemienny wytwarza w prętach zmienne składniki natężenia pola magnetycznego. Składniki te pokrywają się pod względem wielkości i kierunku. Ponadto w miejscu każdego pręta występuje stała składowa natężenia pola magnetycznego części. Ogrom Δx, co zawarte jest we wzorze (10.5), jest równe odległości pomiędzy osiami prętów i nazywane jest podstawą przetwornika. Napięcie wyjściowe konwertera zależy od różnicy napięcia zmienne na uzwojeniach.

Umieśćmy przetwornik defektoskopu na obszarze części bez wady, gdzie wartości natężenia pola magnetycznego w punktach x1; x 2(patrz wzór (10.5)) są takie same. Oznacza to, że gradient natężenia pola magnetycznego równy zeru. Wówczas na każdy pręt przetwornika będą oddziaływać te same stałe i zmienne składowe natężenia pola magnetycznego. Elementy te w równym stopniu ponownie namagnesują pręty, dzięki czemu napięcia na uzwojeniach będą sobie równe. Różnica napięcia określająca sygnał wyjściowy wynosi zero. Zatem przetwornik defektoskopu nie reaguje na pole magnetyczne, jeśli nie ma gradientu.

Jeśli gradient natężenia pola magnetycznego nie jest zerowy, wówczas pręty będą znajdować się w tym samym zmiennym polu magnetycznym, ale stałe składowe będą różne. Każdy pręt jest ponownie namagnesowany przez prąd przemienny uzwojenia ze stanu indukcji magnetycznej - w S do + w S Zgodnie z prawem Indukcja elektromagnetyczna napięcie na uzwojeniu może pojawić się dopiero wtedy, gdy zmieni się indukcja magnetyczna. Dlatego okres oscylacji prąd przemienny można podzielić na przedziały, gdy pręt jest w stanie nasycenia, a zatem napięcie na uzwojeniu wynosi zero, oraz na okresy, gdy nie ma nasycenia, a zatem napięcie różni się od zera. W okresach, w których oba pręty nie są namagnesowane do stanu nasycenia, na uzwojeniach pojawiają się równe napięcia. W tym momencie sygnał wyjściowy wynosi zero. To samo stanie się, jeśli oba pręty zostaną jednocześnie nasycone, gdy na uzwojeniach nie będzie napięcia. Napięcie wyjściowe pojawia się, gdy jeden rdzeń jest w stanie nasyconym, a drugi w stanie nienasyconym.

Jednoczesne oddziaływanie stałych i zmiennych składowych natężenia pola magnetycznego powoduje, że każdy rdzeń znajduje się w jednym stanie nasycenia przez ponad długi czas niż w innym. Dłuższe nasycenie odpowiada dodaniu stałych i zmiennych składników natężenia pola magnetycznego, a krótsze nasycenie odpowiada odejmowaniu. Różnica między przedziałami czasowymi odpowiadającymi wartościom indukcji magnetycznej + w S I - w S, zależy od natężenia stałego pola magnetycznego. Rozważmy stan z indukcją magnetyczną + w S na dwóch prętach przetwornika. Nierówne wartości natężenia pola magnetycznego w punktach x 1 I x 2 będzie odpowiadać różnym czasom trwania przedziałów nasycenia magnetycznego prętów. Im większa jest różnica pomiędzy tymi natężeniami pola magnetycznego, tym bardziej różnią się odstępy czasowe. W okresach, w których jeden pręt jest nasycony, a drugi nienasycony, pojawia się napięcie wyjściowe przetwornika. Napięcie to zależy od gradientu natężenia pola magnetycznego.

Około dwa i pół tysiąca lat temu ludzie odkryli, że niektóre kamienie naturalne mają zdolność przyciągania żelaza. Właściwość tę tłumaczono obecnością żywej duszy w tych kamieniach i pewną „miłością” do żelaza.

Dziś wiemy już, że kamienie te są naturalnymi magnesami, a pole magnetyczne, a nie specjalne położenie w stosunku do żelaza, powoduje takie efekty. Pole magnetyczne jest specjalny rodzaj materia, która różni się od materii i istnieje wokół namagnesowanych ciał.

Magnesy trwałe

Magnesy naturalne, czyli magnetyty, nie mają bardzo silnych właściwości magnetycznych. Ale człowiek nauczył się tworzyć sztuczne magnesy, które mają znaczący wpływ większa siła pole magnetyczne. Wykonane są ze specjalnych stopów i są namagnesowane zewnętrznym polem magnetycznym. A potem można ich używać niezależnie.

Linie pola magnetycznego

Każdy magnes ma dwa bieguny, nazywane są biegunami północnym i południowym. Na biegunach stężenie pola magnetycznego jest maksymalne. Ale między biegunami pole magnetyczne również nie jest rozmieszczone dowolnie, ale w postaci pasków lub linii. Nazywa się je liniami pola magnetycznego. Wykrycie ich jest dość proste – wystarczy umieścić rozsypane opiłki żelaza w polu magnetycznym i lekko nimi potrząsnąć. Nie będą one w żaden sposób umiejscowione, ale utworzą swego rodzaju wzór linii zaczynających się od jednego bieguna i kończących się na drugim. Linie te wydają się wychodzić z jednego bieguna i wchodzić na drugi.

Opiłki żelaza w polu magnesu same namagnesowują się i są umieszczane wzdłuż magnetycznych linii siły. Dokładnie tak działa kompas. Nasza planeta jest wielkim magnesem. Igła kompasu zbiera pole magnetyczne Ziemi i obracając się, znajduje się wzdłuż linii siły, jednym końcem skierowanym na północny biegun magnetyczny, drugim na południe. Bieguny magnetyczne Ziemi są nieco przesunięte w stosunku do biegunów geograficznych, ale przy oddalaniu się od biegunów nie ma to znaczenia wielkie znaczenie i można je uznać za identyczne.

Zmienne magnesy

Zakres zastosowania magnesów w naszych czasach jest niezwykle szeroki. Można je znaleźć we wnętrzu silników elektrycznych, telefonów, głośników i urządzeń radiowych. Nawet w medycynie, gdy ktoś połknie igłę lub inną igłę żelazny przedmiot można go usunąć bezoperacyjnie za pomocą sondy magnetycznej.

Zatem indukcja pola magnetycznego na osi cewki kołowej pod wpływem prądu maleje odwrotnie proporcjonalnie do trzeciej potęgi odległości od środka cewki do punktu na osi. Wektor indukcji magnetycznej na osi cewki jest równoległy do osi. Jego kierunek można wyznaczyć za pomocą prawej śruby: jeśli prawą śrubę skierujemy równolegle do osi cewki i obrócimy ją w kierunku prądu w cewce, to kierunek ruchu translacyjnego śruby będzie wskazywał kierunek wektora indukcji magnetycznej.

3.5 Linie pola magnetycznego

Pole magnetyczne, podobnie jak elektrostatyczne, można wygodnie przedstawić w formie graficznej - za pomocą linii pola magnetycznego.

Linia pola magnetycznego to linia, której styczna w każdym punkcie pokrywa się z kierunkiem wektora indukcji magnetycznej.

Linie pola magnetycznego są rysowane w taki sposób, że ich gęstość jest proporcjonalna do wielkości indukcji magnetycznej: im większa jest indukcja magnetyczna w danym punkcie, tym większa jest gęstość linii pola.

Zatem linie pola magnetycznego są podobne do linii pola elektrostatycznego.

Mają jednak również pewne cechy szczególne.

Rozważmy pole magnetyczne wytworzone przez prosty przewodnik z prądem I.

Niech ten przewodnik będzie prostopadły do płaszczyzny rysunku.

W różnych punktach znajdujących się w równych odległościach od przewodnika indukcja ma tę samą wielkość.

Kierunek wektora W w różnych punktach pokazanych na rysunku.

Linią, której styczna we wszystkich punktach pokrywa się z kierunkiem wektora indukcji magnetycznej, jest okrąg.

W związku z tym linie pola magnetycznego w tym przypadku są okręgami otaczającymi przewodnik. Środki wszystkich linii energetycznych znajdują się na przewodniku.

W ten sposób linie pola magnetycznego są zamknięte (linie pola elektrostatycznego nie mogą być zamknięte, zaczynają się i kończą na ładunkach).

Dlatego pole magnetyczne jest wir(jest to nazwa pól, których linie pól są zamknięte).

Zamknięcie linii pola oznacza kolejną, bardzo ważną cechę pola magnetycznego - w przyrodzie nie ma (przynajmniej jeszcze nie odkrytych) ładunków magnetycznych, które byłyby źródłem pola magnetycznego o określonej polaryzacji.

Dlatego nie ma oddzielnie istniejącego północnego lub południowego bieguna magnetycznego magnesu.

Nawet jeśli przetniesz magnes trwały na pół, otrzymasz dwa magnesy, każdy z obydwoma biegunami.

3.6. Siła Lorentza

Ustalono eksperymentalnie, że na ładunek poruszający się w polu magnetycznym działa siła. Siła ta jest zwykle nazywana siłą Lorentza:

Moduł siły Lorentza

gdzie a jest kątem między wektorami w I B .

Kierunek siły Lorentza zależy od kierunku wektora. Można to zdefiniować za pomocą reguły prawej ręki lub reguły lewej ręki. Ale kierunek siły Lorentza niekoniecznie pokrywa się z kierunkiem wektora!

Faktem jest, że siła Lorentza jest równa wynikowi iloczynu wektora [ w , W ] na skalar Q. Jeśli ładunek jest dodatni, to tak F l równolegle do wektora [ w , W ] Jeśli Q< 0, то сила Лоренца противоположна направлению вектора [w , W ] (widzieć zdjęcie).

Jeżeli naładowana cząstka porusza się równolegle do linii pola magnetycznego, to kąt a pomiędzy wektorami prędkości i indukcji magnetycznej wynosi zero. W konsekwencji na taki ładunek nie działa siła Lorentza (sin 0 = 0, F l = 0).

Jeżeli ładunek porusza się prostopadle do linii pola magnetycznego, to kąt a pomiędzy wektorami prędkości i indukcji magnetycznej wynosi 90 0. W tym przypadku siła Lorentza ma maksymalną możliwą wartość: F l = Q w B.

Siła Lorentza jest zawsze prostopadła do prędkości ładunku. Oznacza to, że siła Lorentza nie może zmienić wielkości prędkości ruchu, ale zmienia jego kierunek.

Dlatego w jednolitym polu magnetycznym ładunek wlatujący w pole magnetyczne prostopadłe do jego linii siły będzie poruszał się po okręgu.

Jeśli na ładunek działa tylko siła Lorentza, wówczas ruch ładunku jest zgodny z następującym równaniem, opartym na drugim prawie Newtona: mama = F l.

Ponieważ siła Lorentza jest prostopadła do prędkości, przyspieszenie naładowanej cząstki jest dośrodkowe (normalne): (tutaj R– promień krzywizny trajektorii cząstki naładowanej).

Bez wątpienia linie pola magnetycznego są obecnie znane każdemu. Przynajmniej w szkole ich manifestację widać na lekcjach fizyki. Pamiętacie, jak nauczyciel umieścił magnes trwały (a nawet dwa, łącząc orientację biegunów) pod kartką papieru, a na wierzch wysypał metalowe opiłki zabrane z sali przyuczania do pracy? Jest całkiem jasne, że metal musiał być trzymany na blasze, ale zaobserwowano coś dziwnego - wyraźnie widać było linie, wzdłuż których ułożyły się trociny. Uwaga - nie równomiernie, ale w paski. To są linie pola magnetycznego. A raczej ich manifestacja. Co się wtedy wydarzyło i jak to wytłumaczyć?

Zacznijmy od daleka. W widzialnym świecie fizycznym współistnieje z nami szczególny rodzaj materii – pole magnetyczne. Zapewnia interakcję ruchu cząstki elementarne lub większe ciała z ładunek elektryczny lub naturalne Elektryczne i są nie tylko ze sobą powiązane, ale także często wytwarzają się same. Na przykład drut, przez który przepływa Elektryczność, tworzy wokół siebie linie pola magnetycznego. Jest też odwrotnie: wpływ zmiennego pola magnetycznego na zamknięty obwód przewodzący powoduje ruch w nim nośników ładunku. Ta ostatnia właściwość jest wykorzystywana w generatorach dostarczających energię elektryczną do wszystkich odbiorców. Uderzającym przykładem pól elektromagnetycznych jest światło.

Linie pola magnetycznego wokół przewodnika obracają się lub, co również jest prawdą, charakteryzują się skierowanym wektorem indukcji magnetycznej. Kierunek obrotu określa reguła świdra. Wskazane linie są umową, ponieważ pole rozciąga się równomiernie we wszystkich kierunkach. Rzecz w tym, że można to przedstawić w postaci nieskończonej liczby linii, z których niektóre mają wyraźniejsze napięcie. Dlatego w trocinach wyraźnie widać „linie”. Co ciekawe, linie pola magnetycznego nigdy nie są przerywane, dlatego nie można jednoznacznie stwierdzić, gdzie jest początek, a gdzie koniec.

W przypadku magnesu trwałego (lub podobnego elektromagnesu) zawsze są dwa bieguny, umownie zwane Północnym i Południowym. Linie wspomniane w tym przypadku to pierścienie i owale łączące oba bieguny. Czasami opisuje się to w kategoriach oddziałujących monopoli, ale wtedy pojawia się sprzeczność, zgodnie z którą monopoli nie można rozdzielić. Oznacza to, że każda próba podziału magnesu spowoduje pojawienie się kilku części dwubiegunowych.

Właściwości linii pola cieszą się dużym zainteresowaniem. Mówiliśmy już o ciągłości, ale w praktyce interesująca jest możliwość wytworzenia prądu elektrycznego w przewodniku. Znaczenie tego jest następujące: jeśli kontur przewodzący przecinają linie (lub sam przewodnik porusza się w polu magnetycznym), wówczas elektronom na zewnętrznych orbitach atomów materiału przekazywana jest dodatkowa energia, umożliwiając im rozpocząć niezależny, ukierunkowany ruch. Można powiedzieć, że pole magnetyczne zdaje się „wybijać” naładowane cząstki z sieci krystalicznej. Zjawisko to nazywa się indukcją elektromagnetyczną i jest obecnie głównym sposobem uzyskania pierwotnego energia elektryczna. Został odkryty eksperymentalnie w 1831 roku przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya.

Badanie pól magnetycznych rozpoczęło się w 1269 r., kiedy P. Peregrinus odkrył oddziaływanie sferycznego magnesu ze stalowymi igłami. Prawie 300 lat później W. G. Colchester zasugerował, że on sam jest ogromnym magnesem z dwoma biegunami. Ponadto zjawiska magnetyczne badali tak znani naukowcy, jak Lorentz, Maxwell, Ampere, Einstein itp.