Liniile de forță magnetice sunt. Ce sunt liniile de câmp magnetic

Ce știm despre liniile electrice? câmp magnetic, pe lângă faptul că în spațiul local din apropierea magneților permanenți sau a conductoarelor purtătoare de curent, există un câmp magnetic care se manifestă sub formă de linii de forță, sau într-o combinație mai familiară - sub formă de linii de forță magnetice?

Există foarte mod convenabil obțineți o imagine clară a liniilor câmpului magnetic folosind pilitura de fier. Pentru a face acest lucru, trebuie să presărați niște pilitură de fier pe o foaie de hârtie sau carton și să aduceți unul dintre polii magnetului de dedesubt. Rumegul este magnetizat și aranjat de-a lungul liniilor câmpului magnetic sub formă de lanțuri de micromagneți. În fizica clasică, liniile de câmp magnetic sunt definite drept linii de câmp magnetic, tangentele la care în fiecare punct indică direcția câmpului în acel punct.

Folosind exemplul mai multor desene cu locații diferite ale liniilor de câmp magnetic, să luăm în considerare natura câmpului magnetic din jurul conductorilor purtători de curent și magneților permanenți.

Figura 1 arată imaginea liniilor de forță magnetică ale unei bobine circulare cu curent, iar Figura 2 arată imaginea liniilor de forță magnetică din jurul unui fir drept cu curent. În Fig. 2, în locul rumegușului sunt folosite săgeți magnetice mici. Această figură arată cum, atunci când direcția curentului se schimbă, se schimbă și direcția liniilor câmpului magnetic. Relația dintre direcția curentului și direcția liniilor de forță magnetică este determinată, de obicei, folosind „regula brațului”, a cărei rotație a mânerului va arăta direcția liniilor de forță magnetică dacă brațul este înșurubat în direcția curentului.

Figura 3 prezintă o imagine a liniilor de forță magnetică ale unui magnet cu bandă, iar Figura 4 arată o imagine a liniilor de forță magnetică ale unui solenoid lung cu curent. De remarcat este asemănarea în locația externă a liniilor câmpului magnetic din ambele figuri (Fig. 3 și Fig. 4). Liniile de forță de la un capăt al solenoidului cu curent se întind la celălalt în același mod ca și cu un magnet cu bandă. Însăși forma liniilor de forță magnetică din afara solenoidului purtător de curent este identică cu forma liniilor unui magnet cu bandă. Un solenoid purtător de curent are, de asemenea, poli nord și sud și o zonă neutră. Doi solenoizi purtători de curent sau un solenoid și un magnet interacționează ca doi magneți.

Ce puteți vedea privind imaginile câmpurilor magnetice ale magneților permanenți, conductoare drepte purtătoare de curent sau bobine purtătoare de curent folosind pilitură de fier? Caracteristica principală Liniile de forță magnetică, așa cum se arată în imaginile aranjamentului rumegușului, reprezintă închiderea lor. O altă caracteristică a liniilor de forță magnetică este direcția lor. Un mic ac magnetic plasat în orice punct al câmpului magnetic va indica direcția liniilor câmpului magnetic cu polul său nord. Pentru a fi sigur, am convenit să presupunem că liniile câmpului magnetic emană de la polul magnetic nord al magnetului benzii și intră în polul său sudic. Spațiul magnetic local din apropierea magneților sau a conductorilor purtători de curent este un mediu elastic continuu. Elasticitatea acestui mediu este confirmată de numeroase experimente, de exemplu, cu respingerea unor poli similari ai magneților permanenți.

Chiar și mai devreme, am emis ipoteza că câmpul magnetic din jurul magneților sau conductoarelor purtătoare de curent este un mediu elastic continuu cu proprietăți magnetice, în care se formează unde de interferență. Unele dintre aceste valuri sunt închise. În acest mediu elastic continu se formează un model de interferență al liniilor de câmp magnetic, care se manifestă folosind pilitura de fier. Un mediu continuu este creat de radiațiile din surse din microstructura unei substanțe.

Să ne amintim experimentele privind interferența undelor dintr-un manual de fizică, în care o placă oscilantă cu două puncte lovește apa. Acest experiment arată că intersecția reciprocă a două unde în unghiuri diferite nu are niciun efect asupra mișcării lor ulterioare. Cu alte cuvinte, undele trec unele prin altele fără a afecta în continuare propagarea fiecăreia dintre ele. Pentru undele luminoase (electromagnetice) același model este adevărat.

Ce se întâmplă în acele zone ale spațiului în care două valuri se intersectează (Fig. 5) - se suprapun una peste alta? Fiecare particulă a mediului aflată pe calea a două unde participă simultan la oscilațiile acestor unde, adică. mișcarea sa este suma oscilațiilor a două unde. Aceste oscilații reprezintă o imagine a undelor de interferență cu maximele și minimele lor ca rezultat al suprapunerii a două sau Mai mult valuri, adică adăugarea oscilaţiilor lor în fiecare punct al mediului prin care trec aceste unde. Experimentele au stabilit că fenomenul de interferență se observă atât în ​​undele care se propagă în medii, cât și în unde electromagnetice, adică interferența este exclusiv o proprietate a undelor și nu depinde nici de proprietățile mediului, nici de prezența acestuia. Trebuie amintit că interferența undelor are loc cu condiția ca oscilațiile să fie coerente (armonizate), adică. oscilațiile trebuie să aibă o diferență de fază constantă în timp și aceeași frecvență.

În cazul nostru cu pilitura de fier linii de forță magnetică sunt liniile cu cel mai mare număr rumeguș situat la maximele undelor de interferență și linii cu mai puțin rumeguș situate între maximele (la minimele) undelor de interferență.

Pe baza ipotezei de mai sus se pot trage următoarele concluzii.

1. Un câmp magnetic este un mediu care se formează în apropiere magnet permanent sau un conductor cu curent ca urmare a radiației de la surse din microstructura unui magnet sau conductor de unde micromagnetice individuale.

2. Aceste unde micromagnetice interacționează în fiecare punct al câmpului magnetic, formând un model de interferență sub formă de linii de câmp magnetic.

3. Undele micromagnetice sunt vortexuri de microenergie închise cu micro poli care se pot atrage unul pe altul, formând linii elastice închise.

4. Microsursele din microstructura materiei, emitând unde micromagnetice care formează un model de interferență al câmpului magnetic, au aceeași frecvență de oscilație, iar radiația lor are o diferență de fază constantă în timp.

Cum are loc procesul de magnetizare a corpurilor, care duce la formarea unui câmp magnetic în jurul lor, adică ce procese au loc în microstructura magneților și a conductorilor purtători de curent? Pentru a răspunde la aceasta și la alte întrebări, este necesar să ne amintim câteva caracteristici ale structurii atomului.

CÂMP MAGNETIC. BAZELE CONTROLULUI PENTRU FLUGE

Trăim în câmpul magnetic al pământului. O manifestare a câmpului magnetic este că acul busolei magnetice indică constant spre nord. acelaşi rezultat poate fi obţinut prin plasarea acul unui compas magnetic între polii unui magnet permanent (Figura 34).

Figura 34 - Orientarea acului magnetic lângă polii magnetului

De obicei, unul dintre polii unui magnet (sud) este desemnat prin literă S, alt - (nord) - litera N. Figura 34 prezintă două poziții ale acului magnetic. În fiecare poziție, polii opuși ai săgeții și ai magnetului se atrag reciproc. Prin urmare, direcția acului busolei s-a schimbat imediat ce l-am mutat din poziția sa 1 a poziționa 2 . Motivul atracției pentru magnet și întoarcerea săgeții este câmpul magnetic. Rotirea săgeții pe măsură ce se deplasează în sus și la dreapta arată că direcția câmpului magnetic înăuntru puncte diferite spațiul nu rămâne neschimbat.

Figura 35 prezintă rezultatul unui experiment cu pulbere magnetică turnată pe o foaie de hârtie groasă, care se află deasupra polilor magnetului. Se poate observa că particulele de pulbere formează linii.

Particulele de pulbere care intră într-un câmp magnetic devin magnetizate. Fiecare particulă are un pol nord și un pol sud. Particulele de pulbere situate în apropiere nu numai că se rotesc în câmpul magnetic, ci și se lipesc unele de altele, aliniându-se în linii. Aceste linii sunt de obicei numite linii de câmp magnetic.

Figura 35 Aranjarea particulelor de pulbere magnetică pe o foaie de hârtie situată deasupra polilor magnetului

Prin plasarea unui ac magnetic lângă o astfel de linie, veți observa că acul este situat tangențial. În cifre 1 , 2 , 3 Figura 35 arată orientarea acului magnetic în punctele corespunzătoare. În apropierea polilor, densitatea pulberii magnetice este mai mare decât în ​​alte puncte ale foii. Aceasta înseamnă că mărimea câmpului magnetic de acolo are o valoare maximă. Astfel, câmpul magnetic în fiecare punct este determinat de valoarea mărimii care caracterizează câmpul magnetic și direcția acestuia. Astfel de mărimi sunt de obicei numite vectori.

Să plasăm piesa de oțel între polii magnetului (Figura 36). Direcția liniilor electrice din piesă este indicată prin săgeți. Liniile de câmp magnetic vor apărea și în piesă, doar că vor fi mult mai multe decât în ​​aer.

Figura 36 Magnetizarea unei piese de formă simplă

Faptul este că partea de oțel conține fier, constând din micromagneți numiți domenii. Aplicarea unui câmp magnetizant la o parte duce la faptul că acestea încep să se orienteze în direcția acestui câmp și să-l întărească de multe ori. Se poate observa că liniile de câmp din porțiune sunt paralele între ele, în timp ce câmpul magnetic este constant. Un câmp magnetic, care este caracterizat de linii drepte paralele de forță trasate cu aceeași densitate, se numește uniform.

10.2 Mărimi magnetice

Cea mai importantă mărime fizică care caracterizează câmpul magnetic este vectorul de inducție magnetică, care este de obicei notat ÎN. Pentru fiecare mărime fizică se obișnuiește să se indice dimensiunea acesteia. Deci, unitatea de curent este Amperi (A), unitatea de inducție magnetică este Tesla (T). Inducția magnetică în părțile magnetizate se află de obicei în intervalul de la 0,1 la 2,0 Tesla.

Un ac magnetic plasat într-un câmp magnetic uniform se va roti. Momentul de forță care îl rotește în jurul axei sale este proporțional cu inducția magnetică. Inducția magnetică caracterizează și gradul de magnetizare a unui material. Liniile de forță prezentate în figurile 34, 35 caracterizează schimbarea inducției magnetice în aer și material (piese).

Inducția magnetică determină câmpul magnetic în fiecare punct din spațiu. Pentru a caracteriza câmpul magnetic pe o suprafață (de exemplu, în planul secțiunii transversale al unei piese), un alt mărime fizică, care se numește flux magnetic și se notează Φ.

Fie o parte magnetizată uniform (Figura 36) să fie caracterizată prin valoarea inducției magnetice ÎN, aria secțiunii transversale a piesei este egală cu S, atunci fluxul magnetic este determinat de formula:

Unitate flux magnetic- Weber (Wb).

Să ne uităm la un exemplu. Inducția magnetică în piesă este de 0,2 T, aria secțiunii transversale este de 0,01 m 2. Atunci fluxul magnetic este de 0,002 Wb.

Să plasăm o tijă lungă de fier cilindrică într-un câmp magnetic uniform. Fie ca axa de simetrie a tijei să coincidă cu direcția liniilor de forță. Apoi tija va fi magnetizată uniform aproape peste tot. Inducția magnetică în tijă va fi mult mai mare decât în ​​aer. Raportul de inducție magnetică într-un material B m la inducția magnetică în aer In in numită permeabilitate magnetică:

μ=B m / B in. (10,2)

Permeabilitatea magnetică este o mărime adimensională. Pentru diferite clase de oțel, permeabilitatea magnetică variază de la 200 la 5.000.

Inducția magnetică depinde de proprietățile materialului, ceea ce complică calculele tehnice ale proceselor magnetice. Prin urmare, a fost introdusă o cantitate auxiliară care nu depinde de proprietățile magnetice ale materialului. Se numește vector de intensitate a câmpului magnetic și este notat H. Unitatea de măsură a intensității câmpului magnetic este Amperi/metru (A/m). În timpul testării magnetice nedistructive ale pieselor, intensitatea câmpului magnetic variază de la 100 la 100.000 A/m.

Între inducția magnetică In inși puterea câmpului magnetic N există o relație simplă în aer:

V în =μ 0 H, (10,3)

Unde μ0 = 4π 10 –7 Henry/metru - constantă magnetică.

Intensitatea câmpului magnetic și inducția magnetică din material sunt legate între ele prin relația:

B=μμ 0 H (10,4)

Intensitatea câmpului magnetic N - vector. Când testarea fluxgate necesită determinarea componentelor acestui vector pe suprafața piesei. Aceste componente pot fi determinate folosind Figura 37. Aici suprafața piesei este luată ca un plan xy, axa z perpendicular pe acest plan.

În figura 1.4 de la vârful vectorului H o perpendiculară este aruncată pe un plan x,y. Un vector este trasat la punctul de intersecție al perpendicularei și al planului de la originea coordonatelor H  care se numește componenta tangențială a intensității câmpului magnetic al vectorului H . Scăderea perpendicularelor de la vârful vectorului H pe axa xŞi y, definim proiecțiile HxŞi H y vector H. Proiecție H pe axă z numită componenta normală a intensității câmpului magnetic Hn . În timpul testării magnetice, componentele tangenţiale şi normale ale intensităţii câmpului magnetic sunt cel mai adesea măsurate.

Figura 37 Vectorul intensității câmpului magnetic și proiecția acestuia pe suprafața piesei

10.3 Curba de magnetizare și bucla de histerezis

Să luăm în considerare schimbarea inducției magnetice a unui material feromagnetic demagnetizat inițial cu o creștere treptată a intensității câmpului magnetic extern. Un grafic care reflectă această dependență este prezentat în Figura 38 și se numește curba de magnetizare inițială. În regiunea câmpurilor magnetice slabe, panta acestei curbe este relativ mică, iar apoi începe să crească, atingând o valoare maximă. La valori și mai mari ale intensității câmpului magnetic, panta scade, astfel încât modificarea inducției magnetice odată cu creșterea câmpului devine nesemnificativă - are loc saturația magnetică, care se caracterizează prin magnitudine. B S. Figura 39 arată dependența permeabilității magnetice de intensitatea câmpului magnetic. Această dependență se caracterizează prin două valori: μn inițial și permeabilitatea magnetică maximă μm. În regiunea câmpurilor magnetice puternice, permeabilitatea scade odată cu creșterea câmpului. Odată cu o creștere suplimentară a câmpului magnetic extern, magnetizarea probei rămâne practic neschimbată, iar inducția magnetică crește doar datorită câmpului extern .

Figura 38 Curba de magnetizare inițială

Figura 39 Dependența permeabilității de intensitatea câmpului magnetic

Saturație prin inducție magnetică B S depinde în principal de compozitia chimica materialul atât pentru oțeluri de structură, cât și pentru oțelurile electrice este de 1,6-2,1 T. Permeabilitatea magnetică depinde nu numai de compoziția chimică, ci și de tratamentul termic și mecanic.

.

Figura 40 Bucle de histerezis limită (1) și parțial (2).

Pe baza mărimii forței coercitive, materialele magnetice sunt împărțite în materiale magnetice moi (H c< 5 000 А/м) и магнитотвердые (H c >5.000 A/m).

Materialele magnetice moi necesită câmpuri relativ scăzute pentru a obține saturația. Materialele magnetice dure sunt greu de magnetizat și remagnetizat.

Majoritatea oțelurilor structurale sunt materiale magnetice moi. Pentru oțelul electric și aliajele speciale, forța de constrângere este de 1-100 A/m, pentru oțelurile de structură - nu mai mult de 5.000 A/m. Atașamentele cu magnet permanenți folosesc materiale magnetice dure.

În timpul inversării magnetizării, materialul este din nou saturat, dar valoarea inducției are un semn diferit (– B S), corespunzătoare intensității câmpului magnetic negativ. Odată cu o creștere ulterioară a intensității câmpului magnetic spre valori pozitive, inducția se va modifica de-a lungul unei alte curbe, numită ramura ascendentă a buclei. Ambele ramuri: descendentă și ascendentă, formează o curbă închisă numită bucla limită a histerezisului magnetic. Bucla limită are o formă simetrică și corespunde unei valori maxime a inducției magnetice egală cu B S. Cu o schimbare simetrică a intensității câmpului magnetic în limite mai mici, inducția se va schimba de-a lungul unei noi bucle. Această buclă este complet situată în interiorul buclei limită și se numește buclă parțială simetrică (Figura 40).

Parametrii buclei de histerezis magnetic limitator sunt redați rol important cu control fluxgate. La valori mari inducția reziduală și forța coercitivă pot fi monitorizate prin premagnetizarea materialului piesei până la saturare și apoi oprirea sursei de câmp. Magnetizarea piesei va fi suficientă pentru a detecta defectele.

În același timp, fenomenul de histerezis duce la necesitatea controlului stării magnetice. În absența demagnetizării, materialul piesei poate fi într-o stare corespunzătoare inducției - B r . Apoi, pornirea unui câmp magnetic de polaritate pozitivă, de exemplu, egal cu Hc, putem chiar demagnetiza piesa, deși ar trebui să o magnetizăm.

Permeabilitatea magnetică este, de asemenea, importantă. Cu atât mai mult μ , cu atât valoarea necesară a intensității câmpului magnetic este mai mică pentru magnetizarea piesei. De aceea parametrii tehnici dispozitivul de magnetizare trebuie să fie în concordanță cu parametrii magnetici ai obiectului de testat.

10.4 Câmp magnetic de împrăștiere a defectelor

Câmpul magnetic al unei piese defecte are propriile sale caracteristici. Să luăm un inel de oțel magnetizat (parte) cu o fantă îngustă. Acest gol poate fi considerat ca un defect al piesei. Dacă acoperiți inelul cu o foaie de hârtie presărată cu pulbere magnetică, puteți vedea o imagine similară cu cea prezentată în Figura 35. Foaia de hârtie este situată în afara inelului și, între timp, particulele de pulbere se aliniază de-a lungul anumitor linii. Astfel, liniile câmpului magnetic trec parțial în afara piesei, curgând în jurul defectului. Această parte a câmpului magnetic se numește câmpul de scurgere al defectului.

Figura 41 prezintă o fisură lungă a piesei, situată perpendicular pe liniile de câmp magnetic și un model de linii de câmp în apropierea defectului.

Figura 41 Fluxul liniilor de forță în jurul unei fisuri de suprafață

Se poate observa că liniile câmpului magnetic curg în jurul fisurii în interiorul și în exteriorul piesei. Formarea unui câmp magnetic parazit printr-un defect sub suprafață poate fi explicată folosind Figura 42, care prezintă o secțiune a unei piese magnetizate. Liniile de forță de inducție magnetică aparțin uneia dintre cele trei secțiuni ale secțiunii transversale: deasupra defectului, în zona defectului și sub defect. Produsul inducției magnetice și aria secțiunii transversale determină fluxul magnetic. Componentele fluxului magnetic total din aceste secțiuni sunt desemnate ca Φ 1 ,..., Parte a fluxului magnetic F 2, va curge deasupra și dedesubtul secțiunii S 2. Prin urmare, fluxurile magnetice în secțiuni S 1Şi S 3 va fi mai mare decât cea a unei piese fără defecte. Același lucru se poate spune despre inducția magnetică. Altul caracteristică importantă liniile de forță de inducție magnetică reprezintă curbura lor deasupra și sub defect. Ca rezultat, o parte a liniilor de câmp părăsește piesa, creând un câmp de împrăștiere magnetic al defectului.

3 .

Figura 42 Câmp de împrăștiere al unui defect sub suprafață

Câmpul magnetic de scurgere poate fi cuantificat prin fluxul magnetic care părăsește piesa, care se numește flux de scurgere. Cu cât fluxul magnetic este mai mare, cu atât fluxul magnetic de scurgere este mai mare Φ 2în secțiune transversală S 2. Zona de secțiune transversală S 2 proporţională cu cosinusul unghiului  , prezentată în Figura 42. La  = 90° această zonă este zero, la  =0° contează cel mai mult.

Astfel, pentru a identifica defectele, este necesar ca liniile de inducție magnetică din zona de inspecție a piesei să fie perpendiculare pe planul defectului suspectat.

Distribuția fluxului magnetic pe secțiunea transversală a unei piese defecte este similară cu distribuția fluxului de apă într-un canal cu un obstacol. Înălțimea valului în zona unui obstacol complet scufundat va fi mai mare, cu cât creasta obstacolului este mai aproape de suprafața apei. În mod similar, un defect de sub suprafață într-o piesă este mai ușor de detectat, cu cât adâncimea apariției sale este mai mică.

10.5 Detectarea defectelor

Pentru a detecta defectele, este necesar un dispozitiv care să permită determinarea caracteristicilor câmpului de împrăștiere al defectului. Acest câmp magnetic poate fi determinat de componentele sale N x, N y, Nz.

Cu toate acestea, câmpurile parazite pot fi cauzate nu numai de un defect, ci și de alți factori: neomogenitatea structurală a metalului, o schimbare bruscă a secțiunii transversale (în detaliu formă complexă), prelucrare, impacturi, rugozitatea suprafeței etc. Prin urmare, analiza dependenței chiar și a unei singure proiecții (de exemplu, H z) din coordonatele spațiale ( x sau y) poate fi o sarcină provocatoare.

Să luăm în considerare câmpul parazit magnetic din apropierea defectului (Figura 43). Aici este prezentată o fisură idealizată infinit lungă, cu margini netede. Este alungită de-a lungul axei y, care este îndreptată către noi în figură. Numerele 1, 2, 3, 4 arată cum se modifică mărimea și direcția vectorului intensității câmpului magnetic atunci când se apropie de fisura din stânga.

Figura 43 Câmp parazit magnetic lângă un defect

Câmpul magnetic este măsurat la o anumită distanță de suprafața piesei. Traiectoria de-a lungul căreia sunt luate măsurătorile este prezentată cu o linie punctată. Mărimile și direcțiile vectorilor din dreapta fisurii pot fi construite într-un mod similar (sau utilizați simetria figurii). În dreapta imaginii câmpului de împrăștiere este un exemplu de poziție spațială a vectorului H și cele două componente ale sale Hx Şi H z . Grafice de dependență de proiecție HxŞi H zîmprăștierea câmpurilor din coordonate x prezentat mai jos.

S-ar părea că, căutând extremul lui H x sau zero al lui H z , se poate găsi un defect. Dar, după cum s-a menționat mai sus, câmpurile parazite sunt formate nu numai din defecte, ci și din neomogenitățile structurale ale metalului, din urme de influențe mecanice etc.

Să luăm în considerare o imagine simplificată a formării câmpurilor rătăcite pe o parte simplă (Figura 44) similară cu cea prezentată în Figura 41 și grafice ale dependențelor de proiecție Hz, Hx din coordonata x(defectul este extins de-a lungul axei y).

Conform graficelor de dependență HxŞi H z din x Este foarte dificil să detectați un defect, deoarece valorile extreme HxŞi H z peste un defect și peste neomogenitățile sunt proporționale.

S-a găsit o soluție când s-a descoperit că în zona defectului rata maximă de modificare (panta) a intensității câmpului magnetic a unei anumite coordonate este mai mare decât alte maxime.

Figura 44 arată că panta maximă a graficului Hz(x)între puncte x 1Şi x 2(adică în zona în care se află defectul) este mult mai mare decât în ​​alte locuri.

Astfel, dispozitivul ar trebui să măsoare nu proiecția intensității câmpului, ci „rata” modificării acestuia, de exemplu. raportul dintre diferența de proiecții în două puncte adiacente deasupra suprafeței piesei și distanța dintre aceste puncte:

(10.5)

Unde Hz (x 1), Hz (x 2)- valori de proiectie vectoriala H pe axă z la puncte x 1, x 2(în stânga și în dreapta defectului), Gz(x) numit în mod obișnuit gradient de intensitate a câmpului magnetic.

Dependenta Gz(x) prezentată în Figura 44. Distanța Dx = x 2 – x 1între punctele în care sunt măsurate proiecţiile vectorului H pe axă z, este selectat luând în considerare dimensiunea câmpului de împrăștiere al defectului.

După cum reiese din Figura 44, și acest lucru este în acord cu practica, valoarea gradientului deasupra defectului este semnificativ mai mare decât valoarea sa deasupra neomogenităților metalului piesei. Acesta este ceea ce face posibilă înregistrarea fiabilă a unui defect atunci când gradientul depășește o valoare de prag (Figura 44).

Alegând valoarea de prag necesară, puteți reduce erorile de control la valori minime.

Figura 44 Liniile de câmp magnetic ale unui defect și neomogenități în metalul unei piese.

10.6 Metoda Fluxgate

Metoda fluxgate se bazează pe măsurarea cu un dispozitiv fluxgate a gradientului intensității câmpului magnetic parazit creat de un defect al unui produs magnetizat și compararea rezultatului măsurării cu un prag.

În afara părții controlate, există un anumit câmp magnetic care este creat pentru ao magnetiza. Utilizarea unui detector de defecte - un gradiometru - asigură că semnalul cauzat de defect este izolat pe fundalul unei componente destul de mari a intensității câmpului magnetic care se modifică lent în spațiu.

Un detector de defecte fluxgate folosește un traductor care răspunde la componenta de gradient a componentei normale a intensității câmpului magnetic de pe suprafața piesei. Traductorul detector de defecte conține două tije paralele realizate dintr-un aliaj magnetic moale special. La testare, tijele sunt perpendiculare pe suprafața piesei, adică. paralel cu componenta normală a intensității câmpului magnetic. Tijele au înfășurări identice prin care circulă curent alternativ. Aceste înfășurări sunt conectate în serie. Curentul alternativ creează componente alternative ale intensității câmpului magnetic în tije. Aceste componente coincid în mărime și direcție. În plus, există o componentă constantă a intensității câmpului magnetic al piesei la locul fiecărei tije. Magnitudinea Δx, care este inclus în formula (10.5), este egală cu distanța dintre axele tijelor și se numește baza traductorului. Tensiunea de ieșire a convertorului este determinată de diferență tensiuni alternative pe înfăşurări.

Să plasăm traductorul detector de defecte pe zona piesei fără defect, unde valorile intensității câmpului magnetic în puncte x 1; x 2(vezi formula (10.5)) sunt aceleași. Aceasta înseamnă că gradientul intensității câmpului magnetic egal cu zero. Apoi aceleași componente constante și alternative ale intensității câmpului magnetic vor acționa asupra fiecărei tije de convertizor. Aceste componente vor remagnetiza în mod egal tijele, astfel încât tensiunile de pe înfășurări sunt egale între ele. Diferența de tensiune care determină semnalul de ieșire este zero. Astfel, traductorul detector de defecte nu răspunde la câmpul magnetic dacă nu există gradient.

Dacă gradientul intensității câmpului magnetic nu este zero, atunci tijele vor fi în același câmp magnetic alternativ, dar componentele constante vor fi diferite. Fiecare tijă este remagnetizată de curentul alternativ al înfășurării din starea cu inducție magnetică - În S la + În S Conform legii inducție electromagnetică tensiunea pe înfășurare poate apărea numai atunci când inducția magnetică se modifică. Prin urmare, perioada de oscilație AC poate fi împărțit în intervale când tija este în saturație și, prin urmare, tensiunea pe înfășurare este zero și în perioade de timp în care nu există saturație și, prin urmare, tensiunea diferă de zero. În acele perioade de timp în care ambele tije nu sunt magnetizate la saturație, pe înfășurări apar tensiuni egale. În acest moment, semnalul de ieșire este zero. Același lucru se va întâmpla dacă ambele tije sunt saturate simultan, când nu există tensiune pe înfășurări. Tensiunea de ieșire apare atunci când un miez este într-o stare saturată, iar celălalt este într-o stare nesaturată.

Influența simultană a componentelor constante și variabile ale intensității câmpului magnetic duce la faptul că fiecare miez este într-o stare saturată pentru mai mult de perioadă lungă de timp decât în ​​altul. Saturația mai lungă corespunde adunării componentelor constante și variabile ale intensității câmpului magnetic, iar saturația mai scurtă corespunde scăderii. Diferența dintre intervalele de timp care corespund valorilor inducției magnetice + În SȘi - În S, depinde de puterea câmpului magnetic constant. Se consideră o stare cu inducție magnetică + În S la două tije traductoare. Valori neuniforme ale intensității câmpului magnetic în puncte x 1Şi x 2 va corespunde duratelor diferite ale intervalelor de saturație magnetică a tijelor. Cu cât diferența dintre aceste intensități ale câmpului magnetic este mai mare, cu atât intervalele de timp sunt mai diferite. În acele perioade de timp în care o tijă este saturată, iar cealaltă este nesaturată, apare tensiunea de ieșire a convertorului. Această tensiune depinde de gradientul intensității câmpului magnetic.

În urmă cu aproximativ două mii și jumătate de ani, oamenii au descoperit că unele pietre naturale au capacitatea de a atrage fierul. Această proprietate a fost explicată prin prezența unui suflet viu în aceste pietre și o anumită „dragoste” pentru fier.

Astăzi știm deja că aceste pietre sunt magneți naturali, iar câmpul magnetic, și nu o locație specială față de fier, creează aceste efecte. Câmpul magnetic este un fel special materia, care este diferită de materie și există în jurul corpurilor magnetizate.

Magneți permanenți

Magneții naturali, sau magnetiții, nu au proprietăți magnetice foarte puternice. Dar omul a învățat să creeze magneți artificiali care au avut în mod semnificativ putere mai mare câmp magnetic. Sunt realizate din aliaje speciale și sunt magnetizate de un câmp magnetic extern. Și după aceea pot fi folosite independent.

Liniile de câmp magnetic

Orice magnet are doi poli, ei se numesc poli nord și sud. La poli concentrația câmpului magnetic este maximă. Dar între poli și câmpul magnetic nu este situat în mod arbitrar, ci sub formă de dungi sau linii. Ele se numesc linii de câmp magnetic. Detectarea lor este destul de simplă - doar plasați pilitura de fier împrăștiată într-un câmp magnetic și agitați-le ușor. Ele nu vor fi localizate în niciun fel, ci formează un fel de model de linii care încep la un pol și se termină la celălalt. Aceste linii par să iasă dintr-un pol și să intre în celălalt.

Pilitura de fier din câmpul unui magnet se magnetizează ea însăși și sunt plasate de-a lungul liniilor magnetice de forță. Exact așa funcționează o busolă. Planeta noastră este un mare magnet. Acul busolei preia câmpul magnetic al Pământului și, întorcându-se, este situat de-a lungul liniilor de forță, cu un capăt îndreptat către polul magnetic nord, celălalt spre sud. Polii magnetici ai Pământului sunt ușor nealiniați cu cei geografici, dar atunci când călătoriți departe de poli, acest lucru nu contează de mare importanțăși pot fi considerate identice.

Magneți variabili

Domeniul de aplicare al magneților în timpul nostru este extrem de larg. Ele pot fi găsite în interiorul motoarelor electrice, telefoanelor, difuzoarelor și dispozitivelor radio. Chiar și în medicină, de exemplu, atunci când o persoană înghite un ac sau altul obiect de fier, poate fi îndepărtat fără intervenție chirurgicală folosind o sondă magnetică.

Astfel, inducția câmpului magnetic pe axa unei bobine circulare cu curent scade invers proporțional cu a treia putere a distanței de la centrul bobinei până la un punct de pe axă. Vectorul de inducție magnetică pe axa bobinei este paralel cu axa. Direcția sa poate fi determinată folosind șurubul potrivit: dacă direcționați șurubul drept paralel cu axa bobinei și îl rotiți în direcția curentului din bobină, atunci direcția mișcării de translație a șurubului va arăta direcția. a vectorului de inducție magnetică.

3.5 Liniile de câmp magnetic

Un câmp magnetic, ca unul electrostatic, poate fi reprezentat convenabil sub formă grafică - folosind linii de câmp magnetic.

O linie de câmp magnetic este o linie a cărei tangentă în fiecare punct coincide cu direcția vectorului de inducție magnetică.

Liniile de câmp magnetic sunt trasate în așa fel încât densitatea lor să fie proporțională cu mărimea inducției magnetice: cu cât este mai mare inducția magnetică într-un anumit punct, cu atât densitatea liniilor de câmp este mai mare.

Astfel, liniile de câmp magnetic sunt similare liniilor de câmp electrostatic.

Cu toate acestea, au și unele particularități.

Luați în considerare câmpul magnetic creat de un conductor drept cu curent I.

Fie acest conductor perpendicular pe planul desenului.

În diferite puncte situate la distanțe egale de conductor, inducția este aceeași ca mărime.

Direcția vectorială ÎN în diferite puncte prezentate în figură.

O dreaptă a cărei tangentă în toate punctele coincide cu direcția vectorului de inducție magnetică este un cerc.

În consecință, liniile câmpului magnetic în acest caz sunt cercuri care înconjoară conductorul. Centrele tuturor liniilor electrice sunt situate pe conductor.

Astfel, liniile de câmp magnetic sunt închise (liniile de câmp electrostatic nu pot fi închise, ele încep și se termină la sarcini).

Prin urmare, câmpul magnetic este vârtej(acesta este numele câmpurilor ale căror linii de câmp sunt închise).

Închiderea liniilor de câmp înseamnă o altă trăsătură, foarte importantă, a câmpului magnetic - în natură nu există încărcături magnetice (cel puțin nedescoperite încă) care ar fi sursa unui câmp magnetic de o anumită polaritate.

Prin urmare, nu există un pol magnetic nord sau sud al unui magnet existent separat.

Chiar dacă tăiați un magnet permanent în jumătate, obțineți doi magneți, fiecare cu ambii poli.

3.6. forța Lorentz

S-a stabilit experimental că o forță acționează asupra unei sarcini care se mișcă într-un câmp magnetic. Această forță este de obicei numită forța Lorentz:

.

Modulul de forță Lorentz

,

unde a este unghiul dintre vectori v Şi B .

Direcția forței Lorentz depinde de direcția vectorului. Poate fi definită folosind regula mâinii drepte sau regula mâinii stângi. Dar direcția forței Lorentz nu coincide neapărat cu direcția vectorului!

Faptul este că forța Lorentz este egală cu rezultatul produsului vectorului [ v , ÎN ] la un scalar q. Dacă sarcina este pozitivă, atunci F l paralel cu vectorul [ v , ÎN ]. Dacă q< 0, то сила Лоренца противоположна направлению вектора [v , ÎN ] (vezi imaginea).

Dacă o particulă încărcată se mișcă paralel cu liniile câmpului magnetic, atunci unghiul a dintre vectorii viteză și inducția magnetică este zero. În consecință, forța Lorentz nu acționează asupra unei astfel de sarcini (sin 0 = 0, F l = 0).

Dacă sarcina se mișcă perpendicular pe liniile câmpului magnetic, atunci unghiul a dintre vectorii viteză și inducția magnetică este egal cu 90 0. În acest caz, forța Lorentz are valoarea maximă posibilă: F l = q v B.

Forța Lorentz este întotdeauna perpendiculară pe viteza sarcinii. Aceasta înseamnă că forța Lorentz nu poate schimba mărimea vitezei de mișcare, ci își schimbă direcția.

Prin urmare, într-un câmp magnetic uniform, o sarcină care zboară într-un câmp magnetic perpendicular pe liniile sale de forță se va deplasa într-un cerc.

Dacă numai forța Lorentz acționează asupra sarcinii, atunci mișcarea sarcinii se supune următoarei ecuații, bazată pe a doua lege a lui Newton: ma = F l.

Deoarece forța Lorentz este perpendiculară pe viteza, accelerația particulei încărcate este centripetă (normală): (aici R– raza de curbură a traiectoriei unei particule încărcate).

Fără îndoială, liniile câmpului magnetic sunt acum cunoscute de toată lumea. Cel puțin la școală, manifestarea lor este demonstrată la lecțiile de fizică. Îți amintești cum profesorul a plasat un magnet permanent (sau chiar doi, combinând orientarea stâlpilor lor) sub o foaie de hârtie și a turnat peste el pilitură de metal luate din sala de pregătire a muncii? Este destul de clar că metalul trebuia ținut pe foaie, dar s-a observat ceva ciudat - liniile de-a lungul cărora s-a aliniat rumegușul erau clar vizibile. Vă rugăm să rețineți - nu uniform, ci în dungi. Acestea sunt liniile câmpului magnetic. Sau mai bine zis, manifestarea lor. Ce s-a întâmplat atunci și cum poate fi explicat?

Să începem de departe. Un tip special de materie coexistă cu noi în lumea fizică vizibilă - un câmp magnetic. Asigură interacțiunea deplasării particule elementare sau corpuri mai mari cu sarcina electrica sau electrice naturale și nu sunt doar interconectate între ele, ci și adesea se generează. De exemplu, un fir prin care curge curent electric, creează linii de câmp magnetic în jurul său. Opusul este de asemenea adevărat: efectul câmpurilor magnetice alternative asupra unui circuit conductor închis creează mișcarea purtătorilor de sarcină în acesta. Această ultimă proprietate este utilizată în generatoarele care furnizează energie electrică tuturor consumatorilor. Un exemplu izbitor de câmpuri electromagnetice este lumina.

Liniile de câmp magnetic din jurul conductorului se rotesc sau, ceea ce este și adevărat, sunt caracterizate de un vector direcțional de inducție magnetică. Direcția de rotație este determinată de regula gimletului. Liniile indicate sunt o convenție, deoarece câmpul se extinde uniform în toate direcțiile. Chestia este că poate fi reprezentată sub forma unui număr infinit de linii, dintre care unele au o tensiune mai pronunțată. De aceea, anumite „linii” sunt clar vizibile în rumeguș. Interesant este că liniile câmpului magnetic nu sunt niciodată întrerupte, așa că este imposibil să spunem fără ambiguitate unde este începutul și unde este sfârșitul.

În cazul unui magnet permanent (sau a unui electromagnet similar), există întotdeauna doi poli, numiți în mod convențional Nord și Sud. Liniile menționate în acest caz sunt inele și ovale care leagă ambii poli. Uneori, acest lucru este descris în termeni de monopoluri care interacționează, dar atunci apare o contradicție, conform căreia monopolurile nu pot fi separate. Adică, orice încercare de a împărți un magnet va avea ca rezultat apariția mai multor părți bipolare.

Proprietățile liniilor de câmp sunt de mare interes. Am vorbit deja despre continuitate, dar de interes practic este capacitatea de a crea un curent electric într-un conductor. Semnificația acestui lucru este următoarea: dacă conturul conductor este străbătut de linii (sau conductorul însuși se mișcă într-un câmp magnetic), atunci electronilor din orbitele exterioare ale atomilor materialului li se oferă energie suplimentară, permițându-le să începe o mișcare independentă direcționată. Putem spune că câmpul magnetic pare să „elimine” particulele încărcate din rețeaua cristalină. Acest fenomen se numește inducție electromagnetică și este în prezent principala modalitate de a obține primar energie electrica. A fost descoperit experimental în 1831 de către fizicianul englez Michael Faraday.

Studiul câmpurilor magnetice a început în 1269, când P. Peregrinus a descoperit interacțiunea unui magnet sferic cu ace de oțel. Aproape 300 de ani mai târziu, W. G. Colchester a sugerat că el însuși era un magnet uriaș cu doi poli. În plus, fenomenele magnetice au fost studiate de oameni de știință celebri precum Lorentz, Maxwell, Ampere, Einstein etc.