Magnetické siločiary sú. Čo sú magnetické siločiary

Čo vieme o elektrických vedeniach? magnetické pole, okrem toho, že v lokálnom priestore v blízkosti permanentných magnetov alebo vodičov s prúdom existuje magnetické pole, ktoré sa prejavuje vo forme siločiar, alebo v známejšej kombinácii - vo forme magnetických siločiar?

Existuje veľmi pohodlný spôsob získajte jasný obraz o magnetických siločiarach pomocou železných pilín. Aby ste to dosiahli, musíte na list papiera alebo lepenky posypať niekoľko železných pilín a priviesť jeden z magnetových pólov zospodu. Piliny sú zmagnetizované a usporiadané pozdĺž siločiar magnetického poľa vo forme reťazí mikromagnetov. V klasickej fyzike sú čiary magnetického poľa definované ako čiary magnetického poľa, dotyčnice, ku ktorým v každom bode udávajú smer poľa v tomto bode.

Na príklade niekoľkých obrázkov s rôznym umiestnením siločiar magnetického poľa uvažujme o povahe magnetického poľa okolo vodičov s prúdom a permanentných magnetov.

Obrázok 1 ukazuje pohľad na magnetické siločiary kruhovej cievky s prúdom a obrázok 2 zobrazuje obrázok magnetických siločiar okolo priameho drôtu s prúdom. Na obr.2 sú namiesto pilín použité malé magnetické šípky. Tento obrázok ukazuje, ako keď sa zmení smer prúdu, zmení sa aj smer magnetických siločiar. Vzťah medzi smerom prúdu a smerom magnetických siločiar sa zvyčajne určuje pomocou „pravidla gimletu“, ktorého otáčanie rukoväte ukáže smer magnetických siločiar, ak je gimlet zaskrutkovaný. smer prúdu.

Obrázok 3 ukazuje obrázok magnetických siločiar pásového magnetu a obrázok 4 zobrazuje obrázok magnetických siločiar dlhého solenoidu s prúdom. Pozoruhodná je podobnosť vo vonkajšom umiestnení magnetických siločiar na oboch obrázkoch (obr. 3 a obr. 4). Siločiary z jedného konca solenoidu s prúdom sa tiahnu k druhému rovnakým spôsobom ako pri pásovom magnete. Samotný tvar magnetických siločiar mimo elektromagnetu s prúdom je identický s tvarom čiar pásového magnetu. Solenoid s prúdom má tiež severný a južný pól a neutrálnu zónu. Dva solenoidy s prúdom alebo solenoid a magnet spolupôsobia ako dva magnety.

Čo môžete vidieť pri pohľade na obrázky magnetických polí permanentných magnetov, priamych vodičov s prúdom alebo cievok s prúdom pomocou železných pilín? Hlavná prednosť Magnetické siločiary, ako ukazujú obrázky usporiadania pilín, je ich uzavretosť. Ďalšou vlastnosťou magnetických siločiar je ich smer. Malá magnetická strelka umiestnená v akomkoľvek bode magnetického poľa bude svojim severným pólom ukazovať smer magnetických siločiar. Pre istotu sme sa dohodli, že budeme predpokladať, že siločiary magnetického poľa vychádzajú zo severného magnetického pólu pásového magnetu a vstupujú do jeho južného pólu. Miestny magnetický priestor v blízkosti magnetov alebo vodičov s prúdom je súvislé elastické médium. Elasticitu tohto média potvrdzujú početné experimenty, napríklad s odpudzovaním podobných pólov permanentných magnetov.

Ešte skôr som predpokladal, že magnetické pole okolo magnetov alebo vodičov s prúdom je spojité elastické médium s magnetickými vlastnosťami, v ktorom sa vytvárajú interferenčné vlny. Niektoré z týchto vĺn sú uzavreté. Práve v tomto spojitom elastickom prostredí sa vytvára interferenčný obrazec magnetických siločiar, ktorý sa prejavuje pomocou železných pilín. Kontinuálne médium vzniká žiarením zo zdrojov v mikroštruktúre látky.

Pripomeňme si pokusy o interferencii vĺn z učebnice fyziky, v ktorých oscilujúca doska s dvoma bodmi naráža na vodu. Tento experiment ukazuje, že vzájomný prienik dvoch vĺn pod rôznymi uhlami nemá žiadny vplyv na ich ďalší pohyb. Inými slovami, vlny prechádzajú cez seba bez ďalšieho ovplyvnenia šírenia každého z nich. Pre svetelné (elektromagnetické) vlny platí rovnaký vzor.

Čo sa deje v tých oblastiach priestoru, v ktorých sa pretínajú dve vlny (obr. 5) – jedna na druhú? Každá častica média nachádzajúca sa v dráhe dvoch vĺn sa súčasne zúčastňuje kmitov týchto vĺn, t.j. jeho pohyb je súčtom kmitov dvoch vĺn. Tieto kmity predstavujú obraz interferenčných vĺn s ich maximami a minimami ako výsledok superpozície dvoch resp. viac vlny, t.j. sčítanie ich kmitov v každom bode prostredia, ktorým tieto vlny prechádzajú. Experimenty ukázali, že fenomén interferencie je pozorovaný vo vlnách šíriacich sa v médiách aj v elektromagnetické vlny, to znamená, že interferencia je výlučne vlastnosťou vĺn a nezávisí ani od vlastností média, ani od jeho prítomnosti. Treba pamätať na to, že k interferencii vĺn dochádza za predpokladu, že oscilácie sú koherentné (harmonizované), t.j. oscilácie musia mať v čase konštantný fázový rozdiel a rovnakú frekvenciu.

V našom prípade so železnými pilinami sú magnetické siločiary čiarami s najväčší počet piliny nachádzajúce sa v maximách interferenčných vĺn a čiary s menším počtom pilín umiestnené medzi maximami (v minimách) interferenčných vĺn.

Na základe vyššie uvedenej hypotézy možno vyvodiť nasledujúce závery.

1. Magnetické pole je médium, ktoré sa tvorí blízko permanentný magnet alebo vodič s prúdom ako výsledok žiarenia zo zdrojov v mikroštruktúre magnetu alebo vodiča jednotlivých mikromagnetických vĺn.

2. Tieto mikromagnetické vlny interagujú v každom bode magnetického poľa a vytvárajú interferenčný obrazec vo forme magnetických siločiar.

3. Mikromagnetické vlny sú uzavreté mikroenergetické víry s mikropólmi, ktoré sa môžu navzájom priťahovať a vytvárať elastické uzavreté čiary.

4. Mikrozdroje v mikroštruktúre hmoty, vyžarujúce mikromagnetické vlny, ktoré tvoria interferenčný obrazec magnetického poľa, majú rovnakú frekvenciu kmitov a ich žiarenie má v čase konštantný fázový rozdiel.

Ako prebieha proces magnetizácie telies, ktorý vedie k vzniku magnetického poľa okolo nich, t.j. aké procesy prebiehajú v mikroštruktúre magnetov a vodičov s prúdom? Na zodpovedanie tejto a ďalších otázok je potrebné pripomenúť niektoré vlastnosti štruktúry atómu.

MAGNETICKÉ POLE. ZÁKLADY OVLÁDANIA FLUGE

Žijeme v magnetickom poli zeme. Prejavom magnetického poľa je, že strelka magnetického kompasu neustále ukazuje na sever. rovnaký výsledok možno dosiahnuť umiestnením strelky magnetického kompasu medzi póly permanentného magnetu (obrázok 34).

Obrázok 34 - Orientácia magnetickej strelky v blízkosti pólov magnetu

Zvyčajne je jeden z pólov magnetu (južný) označený písmenom S, ostatné - (severné) - písm N. Obrázok 34 zobrazuje dve polohy magnetickej ihly. V každej polohe sa protiľahlé póly šípky a magnetu navzájom priťahujú. Smer strelky kompasu sa preto zmenil hneď, ako sme ju posunuli z jej polohy 1 do polohy 2 . Dôvodom priťahovania magnetu a otáčania šípky je magnetické pole. Otáčanie šípky pri jej pohybe nahor a doprava ukazuje, že smer magnetického poľa v rôznych bodoch v priestore nezostáva nezmenený.

Obrázok 35 ukazuje výsledok experimentu s magnetickým práškom nasypaným na hárok hrubého papiera, ktorý sa nachádza nad pólmi magnetu. Je vidieť, že častice prášku tvoria čiary.

Častice prášku vstupujúce do magnetického poľa sa zmagnetizujú. Každá častica má severný a južný pól. Častice prášku nachádzajúce sa v blízkosti sa nielen otáčajú v magnetickom poli, ale tiež sa navzájom lepia a zoraďujú sa do čiar. Tieto čiary sa zvyčajne nazývajú magnetické siločiary.

Obrázok 35 Usporiadanie častíc magnetického prášku na hárku papiera umiestnenom nad pólmi magnetov

Umiestnením magnetickej ihly do blízkosti takejto čiary si všimnete, že ihla je umiestnená tangenciálne. V číslach 1 , 2 , 3 Obrázok 35 zobrazuje orientáciu magnetickej strelky v zodpovedajúcich bodoch. V blízkosti pólov je hustota magnetického prášku väčšia ako v iných bodoch listu. To znamená, že veľkosť magnetického poľa tam má maximálnu hodnotu. Magnetické pole v každom bode je teda určené hodnotou veličiny charakterizujúcej magnetické pole a jeho smer. Takéto množstvá sa zvyčajne nazývajú vektory.

Oceľovú časť umiestnime medzi póly magnetu (obrázok 36). Smer elektrických vedení v časti je znázornený šípkami. V časti sa objavia aj magnetické siločiary, len ich bude oveľa viac ako vo vzduchu.

Obrázok 36 Magnetizácia dielu jednoduchého tvaru

Faktom je, že oceľová časť obsahuje železo pozostávajúce z mikromagnetov nazývaných domény. Aplikácia magnetizačného poľa na súčiastku vedie k tomu, že sa začnú orientovať v smere tohto poľa a mnohokrát ho posilnia. Je vidieť, že siločiary v časti sú navzájom rovnobežné, pričom magnetické pole je konštantné. Magnetické pole, ktoré je charakterizované priamymi rovnobežnými siločiarami nakreslenými s rovnakou hustotou, sa nazýva rovnomerné.

10.2 Magnetické veličiny

Najdôležitejšou fyzikálnou veličinou charakterizujúcou magnetické pole je vektor magnetickej indukcie, ktorý sa zvyčajne označuje IN. Pre každú fyzikálnu veličinu je zvykom uvádzať jej rozmer. Jednotkou prúdu je teda ampér (A), jednotkou magnetickej indukcie je Tesla (T). Magnetická indukcia v magnetizovaných častiach zvyčajne leží v rozsahu od 0,1 do 2,0 Tesla.

Magnetická strelka umiestnená v rovnomernom magnetickom poli sa bude otáčať. Moment sily otáčania okolo svojej osi je úmerný magnetickej indukcii. Magnetická indukcia tiež charakterizuje stupeň magnetizácie materiálu. Siločiary zobrazené na obrázkoch 34, 35 charakterizujú zmenu magnetickej indukcie vo vzduchu a materiáli (častiach).

Magnetická indukcia určuje magnetické pole v každom bode v priestore. Na charakterizáciu magnetického poľa na nejakom povrchu (napríklad v rovine prierezu súčiastky) sa používa iná fyzikálna veličina, ktorá sa nazýva magnetický tok a označuje sa Φ.

Nech je rovnomerne zmagnetizovaná časť (obrázok 36) charakterizovaná hodnotou magnetickej indukcie IN, plocha prierezu časti sa rovná S, potom je magnetický tok určený vzorcom:

Jednotka magnetický tok- Weber (Wb).

Pozrime sa na príklad. Magnetická indukcia v časti je 0,2 T, plocha prierezu je 0,01 m2. Potom je magnetický tok 0,002 Wb.

Umiestnime dlhú valcovú železnú tyč do rovnomerného magnetického poľa. Nech sa os symetrie tyče zhoduje so smerom siločiar. Potom bude tyč rovnomerne magnetizovaná takmer všade. Magnetická indukcia v tyči bude oveľa väčšia ako vo vzduchu. Pomer magnetickej indukcie v materiáli B m na magnetickú indukciu vo vzduchu In in nazývaná magnetická permeabilita:

μ=Bm/Bin. (10.2)

Magnetická permeabilita je bezrozmerná veličina. Pre rôzne druhy ocele sa magnetická permeabilita pohybuje od 200 do 5 000.

Magnetická indukcia závisí od vlastností materiálu, čo komplikuje technické výpočty magnetických procesov. Preto bola zavedená pomocná veličina, ktorá nezávisí od magnetických vlastností materiálu. Nazýva sa vektor sily magnetického poľa a označuje sa H. Jednotkou intenzity magnetického poľa je ampér/meter (A/m). Počas nedeštruktívneho magnetického testovania dielov sa intenzita magnetického poľa pohybuje od 100 do 100 000 A/m.

Medzi magnetickou indukciou In in a sila magnetického poľa N vo vzduchu je jednoduchý vzťah:

Vin =μ 0 H, (10,3)

Kde μ 0 = 4π 10 –7 Henry/meter - magnetická konštanta.

Sila magnetického poľa a magnetická indukcia v materiáli sú vo vzájomnom vzťahu:

B = μμ 0 H (10,4)

Sila magnetického poľa N - vektor. Keď testovanie fluxgate vyžaduje určenie zložiek tohto vektora na povrchu dielu. Tieto komponenty je možné určiť pomocou obrázku 37. Tu sa povrch dielu berie ako rovina xy, os z kolmo na túto rovinu.

Na obrázku 1.4 z vrcholu vektora H kolmica je spustená na rovinu x, y. Vektor sa nakreslí do priesečníka kolmice a roviny z počiatku súradníc H  ktorá sa nazýva tangenciálna zložka intenzity magnetického poľa vektora H . Vypustenie kolmice z vrcholu vektora H na osi X A r, definujeme projekcie Hx A H y vektor H. Projekcia H na os z nazývaná normálna zložka intenzity magnetického poľa Hn . Pri magnetickom testovaní sa najčastejšie meria tangenciálna a normálová zložka intenzity magnetického poľa.

Obrázok 37 Vektor intenzity magnetického poľa a jeho priemet na povrch súčiastky

10.3 Magnetizačná krivka a hysterézna slučka

Uvažujme o zmene magnetickej indukcie pôvodne demagnetizovaného feromagnetického materiálu s postupným zvyšovaním sily vonkajšieho magnetického poľa. Graf odrážajúci túto závislosť je znázornený na obrázku 38 a nazýva sa počiatočná magnetizačná krivka. V oblasti slabých magnetických polí je sklon tejto krivky relatívne malý a potom sa začína zvyšovať a dosahuje maximálnu hodnotu. Pri ešte vyšších hodnotách intenzity magnetického poľa sa sklon zmenšuje, takže zmena magnetickej indukcie s rastúcim poľom sa stáva nevýznamnou - dochádza k magnetickej saturácii, ktorá je charakterizovaná veľkosťou B S. Obrázok 39 ukazuje závislosť magnetickej permeability od intenzity magnetického poľa. Túto závislosť charakterizujú dve hodnoty: počiatočná μ n a maximálna μ m magnetická permeabilita. V oblasti silných magnetických polí sa permeabilita s rastúcim poľom znižuje. S ďalším zvýšením vonkajšieho magnetického poľa zostáva magnetizácia vzorky prakticky nezmenená a magnetická indukcia sa zvyšuje iba v dôsledku vonkajšieho poľa .

Obrázok 38 Krivka počiatočnej magnetizácie

Obrázok 39 Závislosť permeability od intenzity magnetického poľa

Saturácia magnetickou indukciou B S závisí hlavne od chemické zloženie materiál pre konštrukčné aj elektrotechnické ocele je 1,6-2,1 T. Magnetická permeabilita závisí nielen od chemického zloženia, ale aj od tepelného a mechanického spracovania.

.

Obrázok 40 Limitná (1) a čiastočná (2) hysterézna slučka

Na základe veľkosti koercitívnej sily sa magnetické materiály delia na mäkké magnetické materiály (H c< 5 000 А/м) и магнитотвердые (H c >5 000 A/m).

Mäkké magnetické materiály vyžadujú relatívne nízke polia na dosiahnutie nasýtenia. Tvrdé magnetické materiály sa ťažko magnetizujú a remagnetizujú.

Väčšina konštrukčných ocelí sú mäkké magnetické materiály. Pre elektrotechnickú oceľ a špeciálne zliatiny je koercitívna sila 1-100 A / m, pre konštrukčné ocele - nie viac ako 5 000 A / m. Prídavné zariadenia s permanentnými magnetmi používajú tvrdé magnetické materiály.

Počas obrátenia magnetizácie je materiál opäť nasýtený, ale hodnota indukcie má iné znamienko (– B S), čo zodpovedá sile záporného magnetického poľa. S následným zvýšením intenzity magnetického poľa smerom k kladným hodnotám sa indukcia zmení pozdĺž ďalšej krivky, nazývanej vzostupná vetva slučky. Obe vetvy: zostupná a vzostupná tvoria uzavretú krivku nazývanú limitná slučka magnetickej hysterézie. Limitná slučka má symetrický tvar a zodpovedá maximálnej hodnote magnetickej indukcie rovnej B S. So symetrickou zmenou intenzity magnetického poľa v rámci menších limitov sa indukcia zmení pozdĺž novej slučky. Táto slučka je úplne umiestnená vo vnútri limitnej slučky a nazýva sa symetrická čiastočná slučka (obrázok 40).

Parametre obmedzujúcej magnetickej hysteréznej slučky hrajú dôležitú úlohu pri regulácii fluxgate. O vysoké hodnoty zvyškovú indukciu a koercitívnu silu možno monitorovať predmagnetizáciou materiálu dielu až do nasýtenia a následným vypnutím zdroja poľa. Magnetizácia dielu bude dostatočná na zistenie defektov.

Fenomén hysterézie zároveň vedie k potrebe kontrolovať magnetický stav. V neprítomnosti demagnetizácie môže byť materiál dielu v stave zodpovedajúcom indukcii - B r. Potom zapnutie magnetického poľa s kladnou polaritou, napr Hc, môžeme súčiastku dokonca odmagnetizovať, aj keď ju máme zmagnetizovať.

Dôležitá je aj magnetická permeabilita. Viac μ , čím nižšia je požadovaná hodnota intenzity magnetického poľa na zmagnetizovanie dielu. Preto Technické špecifikácie magnetizačné zariadenie musí byť v súlade s magnetickými parametrami testovaného objektu.

10.4 Magnetické pole rozptylu defektov

Magnetické pole chybnej časti má svoje vlastné charakteristiky. Vezmime si magnetizovaný oceľový krúžok (časť) s úzkou štrbinou. Túto medzeru možno považovať za chybu dielu. Ak prsteň zakryjete hárkom papiera posypaným magnetickým práškom, môžete vidieť obrázok podobný tomu na obrázku 35. Hárok papiera sa nachádza mimo krúžku a medzitým sa častice prášku zoradia pozdĺž určitých línií. Magnetické siločiary teda čiastočne prechádzajú mimo súčiastky a obtekajú defekt. Táto časť magnetického poľa sa nazýva únikové pole defektu.

Obrázok 41 ukazuje dlhú trhlinu v časti umiestnenú kolmo na siločiary magnetického poľa a vzor siločiar v blízkosti defektu.

Obrázok 41 Tok siločiar okolo povrchovej trhliny

Je vidieť, že siločiary magnetického poľa prechádzajú okolo trhliny vo vnútri a mimo dielu. Vznik magnetického rozptylového poľa podpovrchovým defektom možno vysvetliť pomocou obrázku 42, ktorý znázorňuje rez zmagnetizovanou časťou. Magnetické indukčné siločiary patria do jednej z troch sekcií prierezu: nad defektom, v zóne defektu a pod defektom. Súčin magnetickej indukcie a plochy prierezu určuje magnetický tok. Zložky celkového magnetického toku v týchto oblastiach sú označené ako Φ 1,..,Časť magnetického toku F 2, potečie nad a pod sekciou S 2. Preto magnetické toky v sekciách S 1 A S 3 bude väčšia ako u bezporuchovej časti. To isté možno povedať o magnetickej indukcii. Ďalší dôležitá vlastnosť magnetické indukčné siločiary je ich zakrivenie nad a pod defektom. V dôsledku toho časť siločiar opustí časť a vytvorí magnetické rozptylové pole defektu.

3 .

Obrázok 42 Rozptylové pole podpovrchového defektu

Únikové magnetické pole možno kvantifikovať magnetickým tokom opúšťajúcim časť, ktorý sa nazýva únikový tok. Čím väčší je magnetický tok, tým väčší je únikový magnetický tok Φ 2 v priereze S 2. Prierezová plocha S 2úmerné kosínusu uhla  , znázornené na obrázku 42. Pri  = 90° je táto plocha nulová, pri  =0° záleží najviac.

Na identifikáciu defektov je teda potrebné, aby magnetické indukčné čiary v kontrolnej zóne dielu boli kolmé na rovinu predpokladaného defektu.

Rozloženie magnetického toku po priereze chybného dielu je podobné ako rozloženie prúdu vody v kanáli s prekážkou. Výška vlny v zóne úplne ponorenej prekážky bude tým väčšia, čím bližšie bude hrebeň prekážky k vodnej hladine. Podobne podpovrchová chyba v diele sa ľahšie odhalí, čím je hĺbka jej výskytu menšia.

10.5 Detekcia defektov

Na detekciu defektov je potrebné zariadenie, ktoré umožňuje určiť charakteristiky rozptylového poľa defektu. Toto magnetické pole môže byť určené jeho zložkami Nx, Ny, Nz.

Bludné polia však môžu byť spôsobené nielen defektom, ale aj inými faktormi: štrukturálna nehomogenita kovu, prudká zmena prierezu (v detaile zložitý tvar), obrábanie, nárazy, drsnosť povrchu a pod. Preto analýza závislosti čo i len jednej projekcie (napr. Hz) z priestorovej súradnice ( X alebo r) môže byť náročná úloha.

Uvažujme magnetické rozptylové pole v blízkosti defektu (obrázok 43). Tu je zobrazená idealizovaná nekonečne dlhá trhlina s hladkými okrajmi. Je pretiahnutý pozdĺž osi r, ktorý na obrázku smeruje k nám. Čísla 1, 2, 3, 4 ukazujú, ako sa mení veľkosť a smer vektora intenzity magnetického poľa pri približovaní sa k trhline zľava.

Obrázok 43 Magnetické rozptylové pole v blízkosti defektu

Magnetické pole sa meria v určitej vzdialenosti od povrchu dielu. Trajektória, pozdĺž ktorej sa vykonávajú merania, je znázornená bodkovanou čiarou. Veľkosti a smery vektorov napravo od trhliny možno zostrojiť podobným spôsobom (alebo použiť symetriu obrazca). Napravo od obrázka rozptylového poľa je príklad priestorovej polohy vektora H a jej dve zložky Hx A Hz . Grafy závislosti projekcie Hx A Hz rozptylové polia od súradnice X zobrazené nižšie.

Zdalo by sa, že hľadaním extrému H x alebo nuly H z možno nájsť defekt. Ale ako je uvedené vyššie, bludné polia sa tvoria nielen z defektov, ale aj z štrukturálnych nehomogenít kovu, zo stôp mechanických vplyvov atď.

Zoberme si zjednodušený obraz tvorby bludných polí na jednoduchej časti (obrázok 44) podobnej tej, ktorá je znázornená na obrázku 41, a grafy závislostí projekcie Hz, Hx zo súradnice X(defekt je rozšírený pozdĺž osi r).

Podľa grafov závislosti Hx A Hz od X Je veľmi ťažké odhaliť defekt, pretože hodnoty extrémov Hx A Hz nad defektom a nad nehomogenitami sú úmerné.

Riešenie sa našlo, keď sa zistilo, že v oblasti defektu je maximálna rýchlosť zmeny (sklon) intenzity magnetického poľa určitej súradnice väčšia ako ostatné maximá.

Obrázok 44 ukazuje, že maximálny sklon grafu Hz(x) medzi bodmi x 1 A x 2(t.j. v oblasti, kde sa defekt nachádza) je oveľa väčšia ako na iných miestach.

Prístroj by teda mal merať nie projekciu intenzity poľa, ale „rýchlosť“ jeho zmeny, t.j. pomer rozdielu priemetov v dvoch susedných bodoch nad povrchom dielu k vzdialenosti medzi týmito bodmi:

(10.5)

Kde Hz (x 1), Hz (x 2)- hodnoty vektorovej projekcie H na os z v bodoch x 1, x 2(vľavo a vpravo od defektu), Gz(x) sa bežne nazýva gradient intenzity magnetického poľa.

Závislosť Gz(x) znázornené na obrázku 44. Vzdialenosť Dx = x 2 – x 1 medzi bodmi, v ktorých sa merajú projekcie vektora H na os z, sa vyberá s prihliadnutím na veľkosť rozptylového poľa defektu.

Ako vyplýva z obrázku 44 a je to v dobrej zhode s praxou, hodnota gradientu nad defektom je výrazne väčšia ako jeho hodnota nad nehomogenitami kovu súčiastky. To umožňuje spoľahlivo zaregistrovať defekt, keď gradient prekročí prahovú hodnotu (obrázok 44).

Výberom požadovanej prahovej hodnoty môžete znížiť chyby riadenia na minimálne hodnoty.

Obrázok 44 Magnetické siločiary defektu a nehomogenít v kove súčiastky.

10.6 Metóda Fluxgate

Metóda fluxgate je založená na meraní gradientu intenzity rozptylového magnetického poľa vzniknutého defektom v magnetizovanom produkte pomocou fluxgate zariadenia a porovnaní výsledku merania s prahovou hodnotou.

Mimo ovládanej časti existuje určité magnetické pole, ktoré je vytvorené na jej magnetizáciu. Použitie defektoskopu - gradiometra zaisťuje, že signál spôsobený defektom je izolovaný na pozadí pomerne veľkej zložky sily magnetického poľa, ktorá sa pomaly mení v priestore.

Fluxgate defektoskop používa prevodník, ktorý reaguje na gradientovú zložku normálnej zložky intenzity magnetického poľa na povrchu dielu. Prevodník defektoskopu obsahuje dve paralelné tyče vyrobené zo špeciálnej mäkkej magnetickej zliatiny. Pri skúšaní sú tyče kolmé na povrch dielu, t.j. paralelne s normálnou zložkou intenzity magnetického poľa. Tyče majú identické vinutia, ktorými preteká striedavý prúd. Tieto vinutia sú zapojené do série. Striedavý prúd vytvára v tyčiach striedavé zložky intenzity magnetického poľa. Tieto zložky sa zhodujú vo veľkosti a smere. Okrem toho existuje konštantná zložka intenzity magnetického poľa dielu v mieste každej tyče. Rozsah Δx, ktorý je zahrnutý vo vzorci (10.5), sa rovná vzdialenosti medzi osami tyčí a nazýva sa základňa prevodníka. Výstupné napätie meniča je určené rozdielom striedavých napätí na vinutiach.

Umiestnime snímač defektoskopu na oblasť dielu bez defektu, kde sú hodnoty intenzity magnetického poľa v bodoch x 1; x 2(pozri vzorec (10.5)) sú rovnaké. To znamená, že gradient intenzity magnetického poľa rovná nule. Potom budú na každú tyč meniča pôsobiť rovnaké konštantné a striedavé zložky intenzity magnetického poľa. Tieto komponenty budú rovnako remagnetizovať tyče, takže napätia na vinutiach sú navzájom rovnaké. Rozdiel napätia, ktorý určuje výstupný signál, je nulový. Prevodník detektora chýb teda nereaguje na magnetické pole, ak neexistuje gradient.

Ak gradient intenzity magnetického poľa nie je nulový, potom budú tyče v rovnakom striedavom magnetickom poli, ale konštantné zložky budú odlišné. Každá tyč je remagnetizovaná striedavým prúdom vinutia zo stavu s magnetickou indukciou - V S na + V S Podľa zákona elektromagnetická indukcia napätie na vinutí sa môže objaviť len pri zmene magnetickej indukcie. Preto periódu oscilácií striedavého prúdu možno rozdeliť na intervaly, keď je tyč v nasýtení, a preto je napätie na vinutí nulové, a na časové obdobia, keď nedochádza k saturácii, a preto je napätie rôzne. od nuly. Počas tých časových období, keď obe tyče nie sú zmagnetizované do nasýtenia, sa na vinutiach objavia rovnaké napätia. V tomto čase je výstupný signál nulový. To isté sa stane, ak sú obe tyče súčasne nasýtené, keď na vinutiach nie je žiadne napätie. Výstupné napätie sa objaví, keď je jedno jadro v nasýtenom stave a druhé v nenasýtenom stave.

Súčasný vplyv konštantnej a premenlivej zložky intenzity magnetického poľa vedie k tomu, že každé jadro je v jednom nasýtenom stave viac ako dlho než v inom. Dlhšia saturácia zodpovedá súčtu konštantných a premenných zložiek intenzity magnetického poľa a kratšia saturácia zodpovedá odčítaniu. Rozdiel medzi časovými intervalmi, ktoré zodpovedajú hodnotám magnetickej indukcie + V S a - V S, závisí od sily konštantného magnetického poľa. Uvažujme stav s magnetickou indukciou + V S na dvoch tyčiach prevodníka. Nerovnomerné hodnoty intenzity magnetického poľa v bodoch x 1 A x 2 bude zodpovedať rôznym trvaním intervalov magnetickej saturácie tyčiniek. Čím väčší je rozdiel medzi týmito silami magnetického poľa, tým rozdielnejšie sú časové intervaly. Počas tých časových úsekov, keď je jedna tyč nasýtená a druhá nenasýtená, vzniká výstupné napätie meniča. Toto napätie závisí od gradientu intenzity magnetického poľa.

Asi pred dva a pol tisíc rokmi ľudia zistili, že niektoré prírodné kamene majú schopnosť priťahovať železo. Táto vlastnosť bola vysvetlená prítomnosťou živej duše v týchto kameňoch a určitou „láskou“ k železu.

Dnes už vieme, že tieto kamene sú prírodné magnety a magnetické pole, nie špeciálne umiestnenie smerom k železu, vytvára tieto efekty. Magnetické pole je špeciálny typ hmoty, ktorá sa líši od hmoty a existuje okolo magnetizovaných telies.

Permanentné magnety

Prírodné magnety alebo magnetity nemajú veľmi silné magnetické vlastnosti. Ale človek sa naučil vytvárať umelé magnety s výrazne väčšou intenzitou magnetického poľa. Sú vyrobené zo špeciálnych zliatin a sú magnetizované vonkajším magnetickým poľom. A potom môžu byť použité samostatne.

Magnetické siločiary

Každý magnet má dva póly, nazývajú sa severný a južný pól. Na póloch je koncentrácia magnetického poľa maximálna. Ale medzi pólmi sa magnetické pole tiež nenachádza ľubovoľne, ale vo forme pruhov alebo čiar. Nazývajú sa magnetické siločiary. Ich detekcia je celkom jednoduchá – stačí umiestniť rozhádzané železné piliny do magnetického poľa a mierne nimi potriasť. Nebudú žiadnym spôsobom umiestnené, ale tvoria akýsi vzor čiar začínajúcich na jednom póle a končiacich na druhom. Zdá sa, že tieto čiary vychádzajú z jedného pólu a vstupujú do druhého.

Železné piliny v poli magnetu sa samy zmagnetizujú a sú umiestnené pozdĺž elektrického vedenia. magnetické čiary. Presne takto funguje kompas. Naša planéta je veľký magnet. Ihla kompasu zachytáva magnetické pole Zeme a otáčaním sa nachádza pozdĺž siločiar, pričom jeden koniec smeruje k severnému magnetickému pólu a druhý k juhu. Magnetické póly Zeme sú mierne nesprávne zarovnané s geografickými, ale pri pohybe od pólov na tom nezáleží. veľký význam a možno ich považovať za identické.

Variabilné magnety

Rozsah použitia magnetov v našej dobe je mimoriadne široký. Možno ich nájsť vo vnútri elektromotorov, telefónov, reproduktorov a rádiových zariadení. Dokonca aj v medicíne, napríklad, keď človek prehltne ihlu alebo iný železný predmet, dá sa odstrániť bez operácie magnetickou sondou.

Indukcia magnetického poľa na osi kruhovej cievky s prúdom teda klesá nepriamo úmerne k tretej mocnine vzdialenosti od stredu cievky k bodu na osi. Vektor magnetickej indukcie na osi cievky je rovnobežný s osou. Jeho smer je možné určiť pomocou pravej skrutky: ak nasmerujete pravú skrutku rovnobežne s osou cievky a otočíte ju v smere prúdu v cievke, potom smer translačného pohybu skrutky ukáže smer vektora magnetickej indukcie.

3.5 Magnetické siločiary

Magnetické pole, podobne ako elektrostatické, možno pohodlne znázorniť v grafickej forme – pomocou magnetických siločiar.

Čiara magnetického poľa je čiara, ktorej dotyčnica sa v každom bode zhoduje so smerom vektora magnetickej indukcie.

Magnetické siločiary sú nakreslené tak, že ich hustota je úmerná veľkosti magnetickej indukcie: čím väčšia je magnetická indukcia v určitom bode, tým väčšia je hustota siločiar.

Magnetické siločiary sú teda podobné elektrostatickým siločiaram.

Majú však aj niektoré zvláštnosti.

Zvážte magnetické pole vytvorené priamym vodičom s prúdom I.

Nech je tento vodič kolmý na rovinu výkresu.

V rôznych bodoch umiestnených v rovnakej vzdialenosti od vodiča je veľkosť indukcie rovnaká.

Vektorový smer IN v rôznych bodoch znázornených na obrázku.

Priamka, ktorej dotyčnica sa vo všetkých bodoch zhoduje so smerom vektora magnetickej indukcie, je kružnica.

V dôsledku toho sú siločiary magnetického poľa v tomto prípade kruhy obklopujúce vodič. Stredy všetkých elektrických vedení sú umiestnené na vodiči.

Magnetické siločiary sú teda uzavreté (elektrostatické siločiary sa nedajú uzavrieť, začínajú a končia pri nábojoch).

Preto je magnetické pole vír(toto je názov polí, ktorých čiary sú uzavreté).

Uzatvorenosť siločiar znamená ďalšiu, veľmi dôležitú vlastnosť magnetického poľa – v prírode neexistujú (aspoň zatiaľ neobjavené) magnetické náboje, ktoré by boli zdrojom magnetického poľa určitej polarity.

Preto neexistuje samostatne existujúci severný alebo južný magnetický pól magnetu.

Aj keď rozrežete permanentný magnet na polovicu, získate dva magnety, každý s oboma pólmi.

3.6. Lorentzova sila

Experimentálne sa zistilo, že sila pôsobí na náboj pohybujúci sa v magnetickom poli. Táto sila sa zvyčajne nazýva Lorentzova sila:

.

Lorentzov modul sily

,

kde a je uhol medzi vektormi v A B .

Smer Lorentzovej sily závisí od smeru vektora. Dá sa definovať pomocou pravidla pravej ruky alebo pravidla ľavej ruky. Smer Lorentzovej sily sa však nemusí nevyhnutne zhodovať so smerom vektora!

Faktom je, že Lorentzova sila sa rovná výsledku súčinu vektora [ v , IN ] na skalár q. Ak je náboj kladný, tak F l rovnobežne s vektorom [ v , IN ]. Ak q< 0, то сила Лоренца противоположна направлению вектора [v , IN ] (pozri obrázok).

Ak sa nabitá častica pohybuje rovnobežne s magnetickými siločiarami, potom je uhol a medzi vektormi rýchlosti a magnetickej indukcie nulový. V dôsledku toho Lorentzova sila nepôsobí na takýto náboj (sin 0 = 0, F l = 0).

Ak sa náboj pohybuje kolmo na siločiary magnetického poľa, potom sa uhol a medzi vektormi rýchlosti a magnetickej indukcie rovná 90 0. V tomto prípade má Lorentzova sila maximálnu možnú hodnotu: F l = q v B.

Lorentzova sila je vždy kolmá na rýchlosť náboja. To znamená, že Lorentzova sila nemôže meniť veľkosť rýchlosti pohybu, ale mení svoj smer.

Preto sa v rovnomernom magnetickom poli bude náboj letiaci do magnetického poľa kolmého na jeho siločiary pohybovať po kruhu.

Ak na náboj pôsobí iba Lorentzova sila, pohyb náboja sa riadi nasledujúcou rovnicou založenou na druhom Newtonovom zákone: ma = F l.

Keďže Lorentzova sila je kolmá na rýchlosť, zrýchlenie nabitej častice je dostredivé (normálne): (tu R– polomer zakrivenia trajektórie nabitej častice).

Magnetické siločiary sú dnes bezpochyby známe každému. Aspoň v škole sa ich prejav demonštruje na hodinách fyziky. Pamätáte si, ako učiteľ umiestnil permanentný magnet (alebo dokonca dva, v kombinácii s orientáciou ich pólov) pod list papiera a naň nasypal kovové piliny z učebne? Je úplne jasné, že kov sa musel držať na plechu, ale bolo pozorované niečo zvláštne - línie, pozdĺž ktorých boli piliny zoradené, boli jasne viditeľné. Upozorňujeme - nie rovnomerne, ale v pruhoch. Toto sú čiary magnetického poľa. Alebo skôr ich prejav. Čo sa vtedy stalo a ako sa to dá vysvetliť?

Začnime z diaľky. Vo viditeľnom fyzickom svete s nami koexistuje zvláštny druh hmoty – magnetické pole. Zabezpečuje interakciu pohybu elementárne častice alebo väčšie telesá s nabíjačka alebo prírodné Elektrické a sú nielen navzájom prepojené, ale často sa aj vytvárajú. Napríklad drôt, cez ktorý preteká elektriny, vytvára okolo seba magnetické siločiary. Platí to aj opačne: pôsobením striedavých magnetických polí na uzavretý vodivý obvod vzniká v ňom pohyb nosičov náboja. Posledná uvedená vlastnosť sa používa v generátoroch, ktoré dodávajú elektrickú energiu všetkým spotrebiteľom. Pozoruhodným príkladom elektromagnetických polí je svetlo.

Magnetické siločiary okolo vodiča sa otáčajú alebo, čo je tiež pravda, sú charakterizované smerovým vektorom magnetickej indukcie. Smer otáčania je určený gimletovým pravidlom. Naznačené čiary sú konvenciou, pretože pole sa rozprestiera rovnomerne vo všetkých smeroch. Ide o to, že to môže byť znázornené vo forme nekonečného počtu riadkov, z ktorých niektoré majú výraznejšie napätie. Preto sú v pilinách jasne viditeľné určité „čiary“. Zaujímavé je, že siločiary magnetického poľa nie sú nikdy prerušené, takže sa nedá jednoznačne povedať, kde je začiatok a kde koniec.

V prípade permanentného magnetu (alebo podobného elektromagnetu) existujú vždy dva póly, bežne nazývané severný a južný. Čiary uvedené v tomto prípade sú krúžky a ovály spájajúce oba póly. Niekedy sa to popisuje ako interagujúce monopoly, ale potom vzniká rozpor, podľa ktorého sa monopoly nedajú oddeliť. To znamená, že akýkoľvek pokus o rozdelenie magnetu bude mať za následok vzhľad niekoľkých bipolárnych častí.

Vlastnosti siločiar sú veľmi zaujímavé. Už sme hovorili o kontinuite, ale praktickým záujmom je schopnosť vytvárať elektrický prúd vo vodiči. Význam toho je nasledovný: ak vodivý obrys pretínajú čiary (alebo sa samotný vodič pohybuje v magnetickom poli), potom sa elektrónom na vonkajších dráhach atómov materiálu dodáva dodatočná energia, čo im umožňuje začať nezávislý riadený pohyb. Môžeme povedať, že magnetické pole akoby „vyraďovalo“ nabité častice z kryštálovej mriežky. Tento jav sa nazýva elektromagnetická indukcia a je v súčasnosti hlavným spôsobom získania primárnej časti elektrická energia. Experimentálne ho objavil v roku 1831 anglický fyzik Michael Faraday.

Štúdium magnetických polí začalo už v roku 1269, keď P. Peregrinus objavil interakciu guľového magnetu s oceľovými ihlami. Takmer o 300 rokov neskôr W. G. Colchester naznačil, že on sám bol obrovský magnet s dvoma pólmi. Ďalej magnetické javy študovali takí slávni vedci ako Lorentz, Maxwell, Ampere, Einstein atď.