مجال مغناطيسي. خطوط. نظرية المجال المغناطيسي وحقائق مثيرة للاهتمام حول المجال المغناطيسي للأرض

موضوعات مبرمج الاستخدام: تفاعل المغناطيسات ، المجال المغناطيسي للموصل مع التيار.

الخصائص المغناطيسية للمادة معروفة للناس لفترة طويلة. حصل المغناطيس على اسمه من مدينة مغنيسيا القديمة: كان المعدن (يسمى فيما بعد خام الحديد المغناطيسي أو المغنتيت) منتشرًا في المنطقة المجاورة له ، وقد اجتذبت قطع منه أجسامًا حديدية.

تفاعل المغناطيس

توجد على جانبي كل مغناطيس القطب الشماليو القطب الجنوبي. ينجذب مغناطيسان إلى بعضهما البعض بواسطة أقطاب متقابلة ويتنافران بواسطة أقطاب متشابهة. يمكن للمغناطيسات العمل على بعضها البعض حتى من خلال الفراغ! كل هذا يذكرنا بتفاعل الشحنات الكهربائية تفاعل المغناطيس ليس كهربائيًا. يتضح هذا من خلال الحقائق التجريبية التالية.

تضعف القوة المغناطيسية عند تسخين المغناطيس. لا تعتمد قوة تفاعل الشحنات النقطية على درجة حرارتها.

تضعف القوة المغناطيسية عن طريق هز المغناطيس. لا يحدث شيء مشابه للأجسام المشحونة كهربائيًا.

إيجابي الشحنات الكهربائيةيمكن فصلها عن السلبية (على سبيل المثال ، عند كهربة الأجسام). لكن من المستحيل فصل أقطاب المغناطيس: إذا قمت بقطع المغناطيس إلى جزأين ، فستظهر الأقطاب أيضًا عند نقطة القطع ، وينقسم المغناطيس إلى مغناطيسين مع أقطاب متقابلة في النهايات (موجهة في نفس الشيء تمامًا طريقة أقطاب المغناطيس الأصلي).

لذا فإن المغناطيس دائماًثنائي القطب ، هم موجودون فقط في الشكل ثنائيات الأقطاب. أقطاب مغناطيسية معزولة (ما يسمى ب أحادي القطب المغناطيسي- نظائر الشحنة الكهربائية) في الطبيعة غير موجودة (على أي حال ، لم يتم اكتشافها تجريبياً). ربما يكون هذا هو التباين الأكثر إثارة للإعجاب بين الكهرباء والمغناطيسية.

تعمل المغناطيسات ، مثل الأجسام المشحونة كهربائيًا ، على الشحنات الكهربائية. ومع ذلك ، فإن المغناطيس يعمل فقط متحركتكلفة؛ إذا كانت الشحنة في حالة سكون بالنسبة للمغناطيس ، فلن تؤثر قوة مغناطيسية على الشحنة. على العكس من ذلك ، يعمل الجسم المكهرب على أي شحنة ، بغض النظر عما إذا كانت في حالة سكون أم في حالة حركة.

بواسطة الأفكار الحديثةنظرية العمل قصير المدى ، يتم تنفيذ تفاعل المغناطيس من خلال حقل مغناطيسيأي أن المغناطيس يخلق مجالًا مغناطيسيًا في الفضاء المحيط ، والذي يعمل على مغناطيس آخر ويسبب جاذبية أو تنافرًا مرئيًا لهذه المغناطيسات.

مثال على المغناطيس إبرة مغناطيسيةبوصلة. بمساعدة إبرة مغناطيسية ، يمكن للمرء أن يحكم على وجود مجال مغناطيسي في منطقة معينة من الفضاء ، وكذلك اتجاه المجال.

كوكبنا الأرض هو مغناطيس عملاق. ليس بعيدًا عن القطب الشمالي الجغرافي للأرض يوجد القطب المغناطيسي الجنوبي. لذلك ، فإن الطرف الشمالي لإبرة البوصلة ، الذي يتجه إلى القطب المغناطيسي الجنوبي للأرض ، يشير إلى الشمال الجغرافي. ومن ثم ، في الواقع ، نشأ اسم "القطب الشمالي" للمغناطيس.

خطوط المجال المغناطيسي

نتذكر أن المجال الكهربائي يتم فحصه بمساعدة شحنات اختبار صغيرة ، من خلال الإجراء الذي يمكن للمرء من خلاله الحكم على حجم واتجاه المجال. التناظرية لشحنة الاختبار في حالة المجال المغناطيسي هي إبرة مغناطيسية صغيرة.

على سبيل المثال ، يمكنك الحصول على فكرة هندسية عن المجال المغناطيسي إذا قمت بوضعه نقاط مختلفةالمساحات عبارة عن إبر بوصلة صغيرة جدًا. تظهر التجربة أن الأسهم ستصطف على طول خطوط معينة - ما يسمى ب خطوط المجال المغناطيسي. دعونا نحدد هذا المفهوم في شكل الفقرات الثلاث التالية.

1. خطوط المجال المغناطيسي ، أو المغناطيسية خطوط القوة- هذه خطوط موجهة في الفضاء لها الخاصية التالية: إبرة بوصلة صغيرة موضوعة عند كل نقطة من هذا الخط موجهة بشكل عرضي لهذا الخط.

2. اتجاه خط المجال المغناطيسي هو اتجاه الأطراف الشمالية لإبر البوصلة الموجودة في نقاط هذا الخط.

3. كلما زادت سماكة الخطوط ، كلما كان المجال المغناطيسي أقوى في منطقة معينة من الفضاء..

يمكن أداء دور إبر البوصلة بنجاح بواسطة برادة الحديد: في المجال المغناطيسي ، يتم ممغنط برادة صغيرة وتتصرف تمامًا مثل الإبر المغناطيسية.

لذلك ، بعد سكب برادة الحديد حول مغناطيس دائم ، سنرى الصورة التالية تقريبًا لخطوط المجال المغناطيسي (الشكل 1).

أرز. 1. مجال المغناطيس الدائم

يُشار إلى القطب الشمالي للمغناطيس باللون الأزرق والحرف ؛ القطب الجنوبي - باللون الأحمر والرسالة. لاحظ أن خطوط المجال تخرج من القطب الشمالي للمغناطيس وتدخل القطب الجنوبي ، لأن الطرف الشمالي لإبرة البوصلة سيشير إلى القطب الجنوبي للمغناطيس.

تجربة Oersted

على الرغم من الكهرباء و الظواهر المغناطيسيةكانت معروفة للناس منذ العصور القديمة ، ولم تتم ملاحظة أي علاقة بينهم لفترة طويلة. لعدة قرون ، استمرت الأبحاث حول الكهرباء والمغناطيسية بشكل متوازٍ ومستقل عن بعضهما البعض.

تم اكتشاف الحقيقة الرائعة المتمثلة في أن الظواهر الكهربائية والمغناطيسية مرتبطة ببعضها البعض لأول مرة في عام 1820 في تجربة Oersted الشهيرة.

يظهر مخطط تجربة Oersted في الشكل. 2 (صورة من rt.mipt.ru). يوجد فوق الإبرة المغناطيسية (و- القطبين الشمالي والجنوبي للسهم) موصل معدني متصل بمصدر تيار. إذا أغلقت الدائرة ، فإن السهم يتحول بشكل عمودي على الموصل!
أشارت هذه التجربة البسيطة مباشرة إلى العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. أثبتت التجارب التي أعقبت تجربة أورستد النمط التالي: يتم إنشاء المجال المغناطيسي بواسطة التيارات الكهربائية ويعمل على التيارات.

أرز. 2. تجربة أورستد

تعتمد صورة خطوط المجال المغناطيسي التي يولدها موصل مع التيار على شكل الموصل.

المجال المغناطيسي لسلك مستقيم مع التيار

خطوط المجال المغناطيسي لسلك مستقيم يحمل تيار دوائر متحدة المركز. تقع مراكز هذه الدوائر على السلك ، وتكون مستوياتها متعامدة مع السلك (الشكل 3).

أرز. 3. مجال السلك المباشر مع التيار

هناك قاعدتان بديلتان لتحديد اتجاه خطوط المجال المغناطيسي الحالية المباشرة.

حكم عقرب الساعة. تسير خطوط الحقل عكس اتجاه عقارب الساعة عند عرضها بحيث يتدفق التيار نحونا..

حكم المسمار(أو حكم gimlet، أو حكم المفتاح- إنها أقرب إلى شخص ما ؛-)). تذهب خطوط الحقل حيث يجب تدوير المسمار (مع الخيط الأيمن التقليدي) للتحرك على طول الخيط في اتجاه التيار.

استخدم أي قاعدة تناسبك. من الأفضل أن تعتاد على قاعدة عقارب الساعة - سترى بنفسك لاحقًا أنها أكثر عالمية وأسهل في الاستخدام (ثم تذكرها بامتنان في عامك الأول عندما تدرس الهندسة التحليلية).

على التين. 3 ، ظهر شيء جديد أيضًا: هذا ناقل ، وهو ما يسمى تحريض المجال المغناطيسي، أو الحث المغناطيسي. متجه الحث المغناطيسي هو تناظرية لمتجه شدة المجال الكهربائي: إنه يخدم خاصية القوةالمجال المغناطيسي ، الذي يحدد القوة التي يعمل بها المجال المغناطيسي على الشحنات المتحركة.

سنتحدث عن القوى في المجال المغناطيسي لاحقًا ، لكن في الوقت الحالي سنلاحظ فقط أن حجم واتجاه المجال المغناطيسي يتم تحديده بواسطة ناقل الحث المغناطيسي. في كل نقطة في الفضاء ، يتم توجيه المتجه في نفس اتجاه الطرف الشمالي لإبرة البوصلة الموضوعة في هذه النقطة ، أي مماس لخط المجال في اتجاه هذا الخط. يتم قياس الحث المغناطيسي بـ تسلاخ(تل).

كما في حالة المجال الكهربائي ، لتحريض مجال مغناطيسي ، مبدأ التراكب. انها تكمن في حقيقة ذلك يتم إضافة تحريض المجالات المغناطيسية التي تم إنشاؤها في نقطة معينة بواسطة تيارات مختلفة بشكل متجه وإعطاء المتجه الناتج للحث المغناطيسي:.

المجال المغناطيسي للملف مع التيار

ضع في اعتبارك ملفًا دائريًا يدور من خلاله تيار مباشر. لا نعرض المصدر الذي ينشئ التيار في الشكل.

سيكون لصورة خطوط مجال دورنا الشكل التالي تقريبًا (الشكل 4).

أرز. 4. مجال الملف مع التيار

سيكون من المهم بالنسبة لنا أن نكون قادرين على تحديد نصف الفضاء (بالنسبة لمستوى الملف) الذي يتم توجيه المجال المغناطيسي فيه. مرة أخرى لدينا قاعدتان بديلتان.

حكم عقرب الساعة. تذهب خطوط الحقل إلى هناك ، وتنظر من حيث يبدو أن التيار يدور عكس اتجاه عقارب الساعة.

حكم المسمار. تذهب خطوط المجال إلى حيث يتحرك المسمار (مع خيوط اليد اليمنى التقليدية) إذا تم تدويره في اتجاه التيار.

كما ترى ، يتم عكس أدوار التيار والميدان - بالمقارنة مع صيغ هذه القواعد لحالة التيار المباشر.

المجال المغناطيسي للملف مع التيار

لفهسوف يتحول ، إذا كان بإحكام ، ملف إلى ملف ، لف السلك في دوامة طويلة بما فيه الكفاية (الشكل 5 - صورة من الموقع en.wikipedia.org). قد يحتوي الملف على عدة عشرات أو مئات أو حتى آلاف المنعطفات. يسمى الملف أيضا الملف اللولبي.

أرز. 5. ملف (ملف لولبي)

إن المجال المغناطيسي لدورة واحدة ، كما نعلم ، لا يبدو بسيطًا جدًا. مجالات؟ يتم تثبيت المنعطفات الفردية للملف على بعضها البعض ، ويبدو أن النتيجة يجب أن تكون صورة مربكة للغاية. ومع ذلك ، ليس هذا هو الحال: مجال الملف الطويل له بنية بسيطة بشكل غير متوقع (الشكل 6).

أرز. 6. ملف المجال مع التيار

في هذا الشكل ، يذهب التيار في الملف عكس اتجاه عقارب الساعة عند النظر إليه من اليسار (سيحدث هذا إذا كان ، في الشكل 5 ، الطرف الأيمن من الملف متصلاً بـ "زائد" المصدر الحالي ، والطرف الأيسر بـ "ناقص"). نرى أن المجال المغناطيسي للملف له خاصيتان مميزتان.

1. يوجد داخل الملف ، بعيدًا عن حوافه ، المجال المغناطيسي متجانس: عند كل نقطة ، يكون متجه الحث المغناطيسي هو نفسه من حيث الحجم والاتجاه. خطوط المجال هي خطوط مستقيمة متوازية ؛ ينثنون فقط بالقرب من حواف الملف عند خروجهم.

2. خارج الملف ، الحقل قريب من الصفر. كلما زاد عدد اللفات في الملف ، كلما ضعف الحقل خارجه.

لاحظ أن الملف الطويل بلا حدود لا يصدر أي مجال على الإطلاق: لا يوجد مجال مغناطيسي خارج الملف. داخل هذا الملف ، يكون المجال موحدًا في كل مكان.

ألا يذكرك بشيء؟ الملف هو النظير "المغناطيسي" للمكثف. تتذكر أن المكثف يخلق متجانسًا الحقل الكهربائي، التي تنحني خطوطها فقط بالقرب من حواف الألواح ، وخارج المكثف ، يكون الحقل قريبًا من الصفر ؛ المكثف ذو الصفائح اللانهائية لا يحرر المجال على الإطلاق ، والحقل موحد في كل مكان بداخله.

والآن - الملاحظة الرئيسية. قارن ، من فضلك ، صورة خطوط المجال المغناطيسي خارج الملف (الشكل 6) مع خطوط المجال للمغناطيس في الشكل. 1. إنه نفس الشيء ، أليس كذلك؟ والآن نأتي إلى سؤال ربما كان لديك منذ وقت طويل: إذا تم إنشاء مجال مغناطيسي بواسطة التيارات ويعمل على التيارات ، فما سبب ظهور مجال مغناطيسي بالقرب من مغناطيس دائم؟ بعد كل شيء ، لا يبدو أن هذا المغناطيس موصل بالتيار!

فرضية أمبير. التيارات الأولية

في البداية ، كان يُعتقد أن تفاعل المغناطيس كان بسبب الشحنات المغناطيسية الخاصة المركزة في القطبين. ولكن ، على عكس الكهرباء ، لا أحد يستطيع عزل الشحنة المغناطيسية ؛ بعد كل شيء ، كما قلنا بالفعل ، لم يكن من الممكن الحصول على القطبين الشمالي والجنوبي للمغناطيس بشكل منفصل - فالقطبان موجودة دائمًا في المغناطيس في أزواج.

تفاقمت الشكوك حول الشحنات المغناطيسية بسبب تجربة Oersted ، عندما اتضح أن المجال المغناطيسي يتم إنشاؤه بواسطة تيار كهربائي. علاوة على ذلك ، اتضح أنه بالنسبة لأي مغناطيس ، من الممكن اختيار موصل بتيار من التكوين المناسب ، بحيث يتزامن مجال هذا الموصل مع مجال المغناطيس.

طرح أمبير فرضية جريئة. لا توجد شحنات مغناطيسية. يتم تفسير تأثير المغناطيس بواسطة التيارات الكهربائية المغلقة بداخله..

ما هذه التيارات؟ هؤلاء التيارات الأوليةتنتشر داخل الذرات والجزيئات ؛ ترتبط بحركة الإلكترونات في المدارات الذرية. يتكون المجال المغناطيسي لأي جسم من المجالات المغناطيسية لهذه التيارات الأولية.

يمكن تحديد موقع التيارات الأولية بشكل عشوائي بالنسبة لبعضها البعض. ثم تلغي مجالاتهم بعضها البعض ، ولا يظهر الجسم خصائص مغناطيسية.

ولكن إذا تم تنسيق التيارات الأولية ، فإن حقولهم ، بالتجميع ، تعزز بعضها البعض. يصبح الجسم مغناطيسًا (الشكل 7 ؛ سيتم توجيه المجال المغناطيسي نحونا ؛ كما سيتم توجيه القطب الشمالي للمغناطيس نحونا).

أرز. 7. التيارات المغناطيسية الأولية

أوضحت فرضية أمبير حول التيارات الأولية خصائص المغناطيس ، فتسخين المغناطيس واهتزازه يدمر ترتيب تياراته الأولية ، وتضعف الخصائص المغناطيسية. أصبح عدم انفصال أقطاب المغناطيس واضحًا: في مكان قطع المغناطيس ، نحصل على نفس التيارات الأولية في النهايات. يتم تفسير قدرة الجسم على أن يكون ممغنطًا في مجال مغناطيسي من خلال المحاذاة المنسقة للتيارات الأولية التي "تدور" بشكل صحيح (اقرأ عن دوران تيار دائري في مجال مغناطيسي في الورقة التالية).

تبين أن فرضية أمبير كانت صحيحة مزيد من التطويرالفيزياء. أصبح مفهوم التيارات الأولية جزءًا لا يتجزأ من نظرية الذرة ، التي تطورت بالفعل في القرن العشرين - بعد ما يقرب من مائة عام من تخمين أمبير اللامع.

بدون شك ، أصبحت خطوط المجال المغناطيسي معروفة للجميع الآن. على الأقل ، حتى في المدرسة ، تظهر مظاهرها في دروس الفيزياء. تذكر كيف وضع المعلم مغناطيسًا دائمًا (أو حتى اثنين ، يجمع بين اتجاه أعمدةهم) تحت ورقة ، وفوقها قام بصب برادة معدنية مأخوذة في فصل تدريب على العمل؟ من الواضح تمامًا أنه كان لابد من وضع المعدن على الصفيحة ، ولكن لوحظ شيء غريب - تم تتبع الخطوط بوضوح على طول نشارة الخشب. لاحظ - ليس بالتساوي ، ولكن في خطوط. هذه هي خطوط المجال المغناطيسي. أو بالأحرى مظهرها. ماذا حدث بعد ذلك وكيف يمكن تفسيره؟

لنبدأ من بعيد. معنا في العالم المادي ، يتعايش المرئي نوع خاصالمادة - المجال المغناطيسي. إنه يضمن تفاعل الجسيمات الأولية المتحركة أو الأجسام الأكبر التي لها شحنة كهربائية أو شحنة كهربائية طبيعية وليست مرتبطة ببعضها البعض فحسب ، بل تولد نفسها غالبًا. على سبيل المثال ، ينتج عن السلك الذي يحمل تيارًا كهربائيًا خطوط مجال مغناطيسي حوله. والعكس صحيح أيضًا: حركة الحقول المغناطيسية المتناوبة على دائرة موصلة مغلقة تخلق حركة حاملات الشحنة فيها. تُستخدم الخاصية الأخيرة في المولدات التي تزود جميع المستهلكين بالطاقة الكهربائية. مثال صارخالمجالات الكهرومغناطيسية - الضوء.

تدور خطوط قوة المجال المغناطيسي حول الموصل أو ، وهذا صحيح أيضًا ، تتميز بموجه موجه للحث المغناطيسي. يتم تحديد اتجاه الدوران بواسطة قاعدة gimlet. الخطوط المشار إليها هي اصطلاح ، حيث ينتشر المجال بالتساوي في جميع الاتجاهات. الشيء هو أنه يمكن تمثيله على أنه عدد لا حصر له من الخطوط ، بعضها لديه توتر أكثر وضوحًا. هذا هو السبب وراء تتبع بعض "الخطوط" بوضوح في نشارة الخشب. ومن المثير للاهتمام ، أن خطوط قوة المجال المغناطيسي لا تنقطع أبدًا ، لذلك من المستحيل أن نقول بشكل لا لبس فيه أين توجد البداية وأين تكون النهاية.

في حالة وجود مغناطيس دائم (أو مغناطيس كهربائي مشابه له) ، يوجد دائمًا قطبان ، يطلق عليهما تقليديًا الشمال والجنوب. الخطوط المذكورة في هذه الحالة هي حلقات وأشكال بيضاوية تربط كلا القطبين. في بعض الأحيان يتم وصف هذا من حيث تفاعل أحادي القطب ، ولكن بعد ذلك ينشأ تناقض ، والذي وفقًا له لا يمكن فصل أحادي القطب. أي أن أي محاولة لتقسيم المغناطيس ستؤدي إلى عدة أجزاء ثنائية القطب.

أهمية كبيرة هي خصائص خطوط القوة. لقد تحدثنا بالفعل عن الاستمرارية ، ولكن القدرة على توليد تيار كهربائي في الموصل ذات أهمية عملية. معنى هذا هو كما يلي: إذا تم عبور الدائرة الموصلة بواسطة خطوط (أو كان الموصل نفسه يتحرك في مجال مغناطيسي) ، يتم نقل طاقة إضافية إلى الإلكترونات في المدارات الخارجية لذرات المادة ، مما يسمح لها لبدء الحركة المستقلة الموجهة. يمكن القول أن المجال المغناطيسي يبدو أنه "يزيل" الجسيمات المشحونة من شعرية الكريستال. تم تسمية هذه الظاهرة الحث الكهرومغناطيسيوهي حاليًا الطريقة الرئيسية للحصول على المستوى الابتدائي طاقة كهربائية. تم اكتشافه تجريبيًا في عام 1831 من قبل الفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي.

بدأت دراسة المجالات المغناطيسية في وقت مبكر من عام 1269 ، عندما اكتشف P. Peregrine تفاعل مغناطيس كروي مع إبر فولاذية. بعد ما يقرب من 300 عام ، اقترح دبليو جي كولشيستر أنه هو نفسه كان مغناطيسًا ضخمًا بقطبين. علاوة على ذلك ، تمت دراسة الظواهر المغناطيسية من قبل علماء مشهورين مثل Lorentz و Maxwell و Ampère و Einstein ، إلخ.

دعونا نفهم معًا ما هو المجال المغناطيسي. بعد كل شيء ، يعيش الكثير من الناس في هذا المجال طوال حياتهم ولا يفكرون فيه حتى. حان الوقت لاصلاحه!

مجال مغناطيسي

مجال مغناطيسيهو نوع خاص من المسألة. يتجلى في العمل عند تحريك الشحنات الكهربائية والأجسام التي لها عزم مغناطيسي خاص بها ( مغناطيس دائم).

هام: المجال المغناطيسي لا يعمل على الشحنات الثابتة! يتم إنشاء المجال المغناطيسي أيضًا عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية ، أو عن طريق مجال كهربائي متغير بمرور الوقت ، أو بواسطة اللحظات المغناطيسية للإلكترونات في الذرات. أي أن أي سلك يتدفق من خلاله التيار يصبح أيضًا مغناطيسًا!

جسم له مجال مغناطيسي خاص به.

المغناطيس له أقطاب تسمى الشمال والجنوب. التسميات "الشمالية" و "الجنوبية" تُعطى للراحة فقط (مثل "زائد" و "ناقص" في الكهرباء).

يتم تمثيل المجال المغناطيسي بواسطة قوة الخطوط المغناطيسية. خطوط القوة مستمرة ومغلقة ، ويتزامن اتجاهها دائمًا مع اتجاه قوى المجال. إذا كانت نشارة المعدن متناثرة حول مغناطيس دائم ، فإن الجزيئات المعدنية ستظهر صورة واضحة لخطوط المجال المغناطيسي الخارجة من الشمال وتدخل القطب الجنوبي. الخصائص الرسومية للمجال المغناطيسي - خطوط القوة.

خصائص المجال المغناطيسي

الخصائص الرئيسية للمجال المغناطيسي هي الحث المغناطيسي, الفيض المغناطيسيو النفاذية المغناطيسية. لكن دعنا نتحدث عن كل شيء بالترتيب.

على الفور ، نلاحظ أن جميع وحدات القياس واردة في النظام SI.

الحث المغناطيسي ب - المتجه الكمية المادية، وهي خاصية القوة الرئيسية للمجال المغناطيسي. يشار إليها بالحرف ب . وحدة قياس الحث المغناطيسي - تسلا (تل).

يشير الحث المغناطيسي إلى مدى قوة المجال من خلال تحديد القوة التي يعمل بها على الشحنة. هذه القوة تسمى قوة لورنتز.

هنا ف - تكلفة، الخامس - سرعته في المجال المغناطيسي ، ب - تعريفي، F هي قوة لورنتز التي يعمل بها الحقل على الشحنة.

F- كمية فيزيائية تساوي ناتج الحث المغناطيسي حسب مساحة الكفاف وجيب التمام بين متجه الحث والخط الطبيعي لمستوى الكفاف الذي يمر التدفق من خلاله. التدفق المغناطيسي هو خاصية عددية للمجال المغناطيسي.

يمكننا القول أن التدفق المغناطيسي يميز عدد خطوط الحث المغناطيسي التي تخترق مساحة الوحدة. يتم قياس التدفق المغناطيسي بـ Weberach (WB).

النفاذية المغناطيسيةهو المعامل الذي يحدد الخصائص المغناطيسية للوسط. إحدى المعلمات التي يعتمد عليها الحث المغناطيسي للمجال هي النفاذية المغناطيسية.

كان كوكبنا مغناطيسًا ضخمًا لعدة مليارات من السنين. يختلف تحريض المجال المغناطيسي للأرض باختلاف الإحداثيات. عند خط الاستواء ، تساوي حوالي 3.1 في 10 أس ناقص خمسة من قوة تسلا. بالإضافة إلى ذلك ، هناك حالات شذوذ مغناطيسية ، حيث تختلف قيمة واتجاه المجال بشكل كبير عن المناطق المجاورة. واحدة من أكبر الانحرافات المغناطيسية على هذا الكوكب - كورسكو الشذوذ المغناطيسي البرازيلي.

لا يزال أصل المجال المغناطيسي للأرض لغزا للعلماء. من المفترض أن مصدر المجال هو جوهر المعدن السائل للأرض. اللب يتحرك ، مما يعني أن سبيكة الحديد والنيكل المنصهرة تتحرك ، وحركة الجسيمات المشحونة هي التيار الكهربائي الذي يولد المجال المغناطيسي. المشكلة هي أن هذه النظرية جيودينامو) لا يشرح كيف يتم الحفاظ على استقرار المجال.

الأرض عبارة عن ثنائي أقطاب مغناطيسي ضخم.لا تتطابق الأقطاب المغناطيسية مع الأقطاب الجغرافية ، على الرغم من قربها من بعضها البعض. علاوة على ذلك ، تتحرك الأقطاب المغناطيسية للأرض. تم تسجيل نزوحهم منذ عام 1885. على سبيل المثال ، على مدار المائة عام الماضية ، تحرك القطب المغناطيسي في نصف الكرة الجنوبي بحوالي 900 كيلومتر وهو الآن في المحيط الجنوبي. يتحرك قطب نصف الكرة القطبي الشمالي عبر المحيط المتجمد الشمالي باتجاه الشذوذ المغناطيسي لشرق سيبيريا ، وكانت سرعة حركته (وفقًا لبيانات عام 2004) حوالي 60 كيلومترًا في السنة. الآن هناك تسارع في حركة القطبين - في المتوسط ​​، تتزايد السرعة بمقدار 3 كيلومترات في السنة.

ما هي أهمية المجال المغناطيسي للأرض بالنسبة لنا؟بادئ ذي بدء ، يحمي المجال المغناطيسي للأرض الكوكب من الأشعة الكونية والرياح الشمسية. لا تسقط الجسيمات المشحونة من الفضاء السحيق مباشرة على الأرض ، ولكنها تنحرف بفعل مغناطيس عملاق وتتحرك على طول خطوط قوتها. وبالتالي ، فإن جميع الكائنات الحية محمية من الإشعاع الضار.

خلال تاريخ الأرض ، كان هناك العديد منها انقلابات(تغييرات) الأقطاب المغناطيسية. انقلاب القطبعندما يغيرون الأماكن. آخر مرة حدثت فيها هذه الظاهرة منذ حوالي 800 ألف سنة ، وكان هناك أكثر من 400 انعكاس مغناطيسي أرضي في تاريخ الأرض. يعتقد بعض العلماء أنه بالنظر إلى التسارع الملحوظ لحركة الأقطاب المغناطيسية ، يجب أن يكون انعكاس القطب التالي متوقع في الألف سنة القادمة.

لحسن الحظ ، لا يُتوقع حدوث انعكاس في الأقطاب في قرننا هذا. لذلك ، يمكنك التفكير في الحياة الممتعة والاستمتاع في الحقل الثابت القديم الجيد للأرض ، بعد النظر في الخصائص والخصائص الرئيسية للمجال المغناطيسي. ولكي تتمكن من القيام بذلك ، هناك مؤلفونا ، الذين يمكن أن يعهدوا إلى بعض المشاكل التعليمية بثقة في النجاح! وأنواع العمل الأخرى التي يمكنك طلبها على الرابط.

مجال مغناطيسي. أساسيات التحكم في صناعة الحديد

نحن نعيش في المجال المغناطيسي للأرض. من مظاهر المجال المغناطيسي أن إبرة البوصلة المغناطيسية تظهر باستمرار الاتجاه نحو الشمال. يمكن الحصول على نفس النتيجة عن طريق وضع إبرة البوصلة المغناطيسية بين أقطاب مغناطيس دائم (الشكل 34).

الشكل 34 - اتجاه الإبرة المغناطيسية بالقرب من أقطاب المغناطيس

عادةً ما يُشار إلى أحد أقطاب المغناطيس (الجنوب) بالحرف س، حرف آخر - (شمالي) - ن. يوضح الشكل 34 موقعين للإبرة المغناطيسية. في كل موضع ، يتم جذب القطبين المعاكسين للسهم والمغناطيس. لذلك ، تغير اتجاه إبرة البوصلة بمجرد تحريكها من الموضع 1 في الموقف 2 . سبب الجذب للمغناطيس ودوران السهم هو المجال المغناطيسي. يُظهر تدوير السهم أثناء تحركه لأعلى ولليمين أن اتجاه المجال المغناطيسي في نقاط مختلفة في الفضاء لا يظل كما هو.

يوضح الشكل 35 نتيجة تجربة مع مسحوق مغناطيسي رش على ورقة سميكة ، والتي تقع فوق أقطاب المغناطيس. يمكن ملاحظة أن جزيئات المسحوق تشكل خطوطًا.

جسيمات المسحوق ، التي تدخل في مجال مغناطيسي ، ممغنطة. كل جسيم له قطب شمالي وجنوبي. لا تدور جزيئات المسحوق القريبة في مجال المغناطيس فحسب ، بل تلتصق أيضًا ببعضها البعض ، وتصطف في خطوط. تسمى هذه الخطوط بخطوط المجال المغناطيسي.

الشكل 35 ترتيب جزيئات المسحوق المغناطيسي على ورقة موضوعة فوق أقطاب المغناطيس

من خلال وضع إبرة مغناطيسية بالقرب من هذا الخط ، يمكنك أن ترى أن السهم عرضي. بالأرقام 1 , 2 , 3 يوضح الشكل 35 اتجاه الإبرة المغناطيسية عند النقاط المقابلة. بالقرب من القطبين ، تكون كثافة المسحوق المغناطيسي أكبر مما هي عليه في النقاط الأخرى على الورقة. هذا يعني أن حجم المجال المغناطيسي هناك له قيمة قصوى. وبالتالي ، يتم تحديد المجال المغناطيسي في كل نقطة من خلال قيمة الكمية التي تميز المجال المغناطيسي واتجاهه. تسمى هذه الكميات نواقل.

لنضع الجزء الفولاذي بين أقطاب المغناطيس (الشكل 36). يتم عرض اتجاه خطوط المجال في الجزء بواسطة الأسهم. ستظهر أيضًا خطوط المجال المغناطيسي في الجزء ، فقط سيكون هناك عدد أكبر بكثير منها في الهواء.

الشكل 36 جذب جزء بشكل بسيط

الحقيقة هي أن الجزء الفولاذي يحتوي على حديد ، يتكون من مغناطيسات دقيقة تسمى المجالات. يؤدي تطبيق المجال الممغنط على التفاصيل إلى حقيقة أنها تبدأ في توجيه نفسها في اتجاه هذا المجال وتضخيمه عدة مرات. يمكن ملاحظة أن خطوط القوة في الجزء متوازية مع بعضها البعض ، بينما المجال المغناطيسي ثابت. يُطلق على المجال المغناطيسي ، الذي يتميز بخطوط متوازية مستقيمة للقوة مرسومة بنفس الكثافة ، متجانسًا.

10.2 الكميات المغناطيسية

إن أهم كمية فيزيائية تميز المجال المغناطيسي هي ناقل الحث المغناطيسي ، والذي يشار إليه عادة في. لكل كمية مادية ، من المعتاد الإشارة إلى أبعادها. لذا ، فإن وحدة القوة الحالية هي أمبير (A) ، ووحدة الحث المغناطيسي هي Tesla (Tl). عادةً ما يقع الحث المغناطيسي في الأجزاء الممغنطة في النطاق من 0.1 إلى 2.0 T.

ستدور إبرة مغناطيسية موضوعة في مجال مغناطيسي موحد. تتناسب لحظة القوى التي تدور حول محورها مع الحث المغناطيسي. يميز الحث المغناطيسي أيضًا درجة مغنطة المادة. تميز خطوط القوة الموضحة في الأشكال 34 ، 35 التغير في الحث المغناطيسي في الهواء والمواد (تفاصيل).

يحدد الحث المغناطيسي المجال المغناطيسي في كل نقطة في الفضاء. من أجل توصيف المجال المغناطيسي على بعض الأسطح (على سبيل المثال ، في مستوى المقطع العرضي للجزء) ، يتم استخدام كمية مادية أخرى ، والتي تسمى التدفق المغناطيسي ويشار إليها Φ.

دع الجزء الممغنط بشكل موحد (الشكل 36) يتميز بقيمة الحث المغناطيسي في، مساحة المقطع العرضي للجزء تساوي س، ثم يتم تحديد التدفق المغناطيسي بواسطة الصيغة:

وحدة التدفق المغناطيسي هي Weber (Wb).

تأمل في مثال. الحث المغناطيسي في الجزء هو 0.2 تسلا ، مساحة المقطع العرضي 0.01 م 2. ثم التدفق المغناطيسي هو 0.002 Wb.

دعونا نضع قضيبًا حديديًا أسطوانيًا طويلًا في مجال مغناطيسي منتظم. دع محور تناظر القضيب يتطابق مع اتجاه خطوط القوة. ثم سيتم مغناطيس القضيب في كل مكان تقريبًا بشكل موحد. سيكون الحث المغناطيسي في القضيب أكبر بكثير من الهواء. نسبة الحث المغناطيسي في المادة بي امللحث المغناطيسي في الهواء فيتسمى النفاذية المغناطيسية:

μ = ب م / ب في. (10.2)

النفاذية المغناطيسية هي كمية بلا أبعاد. بالنسبة لدرجات مختلفة من الفولاذ ، تتراوح النفاذية المغناطيسية من 200 إلى 5000.

يعتمد الحث المغناطيسي على خصائص المادة ، مما يعقد الحسابات التقنية للعمليات المغناطيسية. لذلك ، تم إدخال كمية إضافية لا تعتمد على الخصائص المغناطيسية للمادة. يطلق عليه ناقل المجال المغناطيسي ويشار إليه ح. وحدة شدة المجال المغناطيسي هي أمبير / متر (A / m). أثناء الاختبار المغناطيسي غير المدمر للأجزاء ، تتراوح شدة المجال المغناطيسي من 100 إلى 100،000 أمبير / م.

بين الحث المغناطيسي فيوقوة المجال المغناطيسي حهناك علاقة بسيطة في الهواء:

В в = μ 0 H، (10.3)

أين μ 0 = 4π 10-7 هنري / متر - ثابت مغناطيسي.

ترتبط قوة المجال المغناطيسي والحث المغناطيسي في المادة بالعلاقة:

ب = μ 0 H (10.4)

قوة المجال المغناطيسي ح - المتجه. في اختبار fluxgate ، يلزم تحديد مكونات هذا المتجه على سطح الجزء. يمكن تحديد هذه المكونات باستخدام الشكل 37. هنا يتم أخذ سطح الجزء كمستوى س صالمحور ضعمودي على هذا المستوى.

الشكل 1.4 من أعلى المتجه ح انخفض بشكل عمودي على الطائرة س ، ص. يتم رسم المتجه من أصل الإحداثيات إلى نقطة تقاطع المستوي والعمودي ح   وهو ما يسمى المكون المماسي لشدة المجال المغناطيسي للناقل ح . إسقاط الخطوط العمودية من قمة المتجه ح على المحور xو ذ، حدد التوقعات ح سو ح ذالمتجه ح. تنبؤ ح لكل محور ضيسمى المكون الطبيعي لشدة المجال المغناطيسي ح ن . في الاختبار المغناطيسي ، غالبًا ما يتم قياس المكونات العرضية والعادية لشدة المجال المغناطيسي.

شكل 37 متجه المجال المغناطيسي وإسقاطه على سطح الجزء

10.3 منحنى المغنطة وحلقة التباطؤ

دعونا نفكر في التغيير في الحث المغناطيسي لمادة مغناطيسية مغنطيسية ممغنطة في البداية مع زيادة تدريجية في قوة المجال المغناطيسي الخارجي. يظهر الرسم البياني الذي يعكس هذا الاعتماد في الشكل 38 ويسمى منحنى المغنطة الأولي. في منطقة المجالات المغناطيسية الضعيفة ، يكون ميل هذا المنحنى صغيرًا نسبيًا ، ثم يبدأ في الزيادة ، ليصل إلى القيمة القصوى. عند القيم الأعلى لشدة المجال المغناطيسي ، يتناقص المنحدر بحيث يصبح التغيير في الحث المغناطيسي غير مهم مع زيادة المجال - يحدث التشبع المغناطيسي ، والذي يتميز بالقيمة ب اس. يوضح الشكل 39 اعتماد النفاذية المغناطيسية على قوة المجال المغناطيسي. يتميز هذا الاعتماد بقيمتين: النفاذية المغناطيسية μ n الأولية والحد الأقصى μ m. في منطقة المجالات المغناطيسية القوية ، تقل النفاذية مع زيادة المجال. مع زيادة أخرى في المجال المغناطيسي الخارجي ، لا يتغير مغنطة العينة عمليًا ، وينمو الحث المغناطيسي فقط بسبب المجال الخارجي .

الشكل 38 منحنى التمغنط الأولي

الشكل 39 اعتماد النفاذية على شدة المجال المغناطيسي

تحريض التشبع المغناطيسي ب اسيعتمد بشكل رئيسي على التركيب الكيميائيالمواد وللفولاذ الإنشائي والكهربائي 1.6-2.1 T. لا تعتمد النفاذية المغناطيسية على التركيب الكيميائي فحسب ، بل تعتمد أيضًا على المعالجة الحرارية والميكانيكية.

.

شكل 40 حلقات التخلفية المحدودة (1) والجزئية (2)

وفقًا لحجم القوة القسرية ، يتم تقسيم المواد المغناطيسية إلى مغناطيسية ناعمة (H c< 5 000 А/м) и магнитотвердые (H c >5000 أ / م).

بالنسبة للمواد المغناطيسية اللينة ، فإن الحقول الصغيرة نسبيًا مطلوبة لتحقيق التشبع. المواد المغناطيسية الصلبة يصعب جذبها وإعادة مغنطتها.

معظم الفولاذ الإنشائي عبارة عن مواد مغناطيسية ناعمة. بالنسبة للصلب الكهربائي والسبائك الخاصة ، تكون القوة القسرية من 1-100 أمبير / م ، بالنسبة للفولاذ الإنشائي - لا تزيد عن 5000 أ / م. تستخدم الأجهزة المتصلة بمغناطيس دائم مواد مغناطيسية صلبة.

أثناء انعكاس المغنطة ، تتشبع المادة مرة أخرى ، لكن قيمة الحث لها علامة مختلفة (- ب اس) المقابلة للقوة السلبية للمجال المغناطيسي. مع زيادة لاحقة في شدة المجال المغناطيسي نحو القيم الإيجابية ، سيتغير الحث على طول منحنى آخر ، يسمى الفرع الصاعد للحلقة. كلا الفرعين: تنازليًا وتصاعديًا ، يشكلان منحنى مغلقًا يسمى حلقة التخلفية المغناطيسية المحدودة. الحلقة المحددة لها شكل متماثل وتتوافق مع أقصى قيمةالحث المغناطيسي يساوي ب اس. مع التغيير المتماثل في شدة المجال المغناطيسي ضمن حدود أصغر ، سيتغير الحث على طول حلقة جديدة. تقع هذه الحلقة بالكامل داخل حلقة الحد وتسمى حلقة جزئية متناظرة (الشكل 40).

معلمات الحد من مسرحية حلقة التباطؤ المغناطيسي دور مهممع تحكم فلوكسجيت. في قيم عاليةالحث المتبقي والقوة القسرية ، من الممكن التحكم عن طريق مغنطة مادة الجزء مسبقًا إلى التشبع ، متبوعًا بإيقاف تشغيل مصدر الحقل. ستكون مغنطة الجزء كافية للكشف عن العيوب.

في الوقت نفسه ، تؤدي ظاهرة التخلفية إلى الحاجة إلى التحكم في الحالة المغناطيسية. في حالة عدم وجود إزالة المغناطيسية ، قد تكون مادة الجزء في حالة مقابلة للحث - ب ص.ثم ، عن طريق تشغيل المجال المغناطيسي للقطبية الموجبة ، على سبيل المثال ، يساوي ح، يمكنك حتى إزالة مغناطيسية الجزء ، على الرغم من أننا من المفترض أن نجعله ممغنطًا.

أهميةلديها أيضا نفاذية مغناطيسية. الاكثر μ ، كلما قلت القيمة المطلوبة لشدة المجال المغناطيسي لمغنطة الجزء. لذلك ، يجب أن تكون المعلمات التقنية لجهاز المغنطة متسقة مع المعلمات المغناطيسية لجسم الاختبار.

10.4 المجال المغناطيسي الشارد للعيوب

المجال المغناطيسي للجزء المعيب له خصائصه الخاصة. خذ حلقة فولاذية ممغنطة (جزء) بفجوة ضيقة. يمكن اعتبار هذه الفجوة عيبًا جزئيًا. إذا قمت بتغطية الحلقة بورقة مملوءة بمسحوق مغناطيسي ، يمكنك رؤية صورة مشابهة لتلك الموضحة في الشكل 35. تقع الورقة خارج الحلقة ، وفي الوقت نفسه تصطف جزيئات المسحوق على طول خطوط معينة. وهكذا ، فإن خطوط قوة المجال المغناطيسي تمر جزئيًا خارج الجزء ، وتتدفق حول العيب. هذا الجزء من المجال المغناطيسي يسمى المجال الضال للعيب.

يوضح الشكل 41 صدعًا طويلًا في الجزء ، يقع بشكل عمودي على خطوط المجال المغناطيسي ، ونمطًا من خطوط المجال بالقرب من العيب.

شكل 41 التدفق حول صدع سطحي بواسطة خطوط القوة

يمكن ملاحظة أن خطوط المجال المغناطيسي تتدفق حول الشق داخل الجزء وخارجه. يمكن تفسير تكوين مجال مغناطيسي شارد بواسطة عيب تحت السطح باستخدام الشكل 42 ، الذي يوضح قسمًا من الجزء الممغنط. تشير خطوط مجال الحث المغناطيسي إلى أحد الأقسام الثلاثة للمقطع العرضي: فوق العيب ، في منطقة الخلل وتحت الخلل. يحدد ناتج الحث المغناطيسي ومنطقة المقطع العرضي التدفق المغناطيسي. تم تعيين مكونات التدفق المغناطيسي الكلي في هذه المناطق على أنها Φ 1، ..،جزء من التدفق المغناطيسي و 2، سوف تتدفق أعلى وأسفل القسم S2. لذلك ، التدفقات المغناطيسية في المقاطع العرضية S1و S3سيكون أكبر من الجزء الخالي من العيوب. يمكن قول الشيء نفسه عن الحث المغناطيسي. آخر ميزة مهمةخطوط المجال للحث المغناطيسي هي انحناءها فوق وتحت الخلل. نتيجة لذلك ، تخرج بعض خطوط القوة من الجزء ، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا شاردًا للعيب.

3 .

الشكل 42 مجال شارد لعيب تحت السطح

يمكن قياس المجال المغناطيسي الشارد بواسطة التدفق المغناطيسي الذي يترك الجزء ، والذي يسمى التدفق الشارد. كلما كان التدفق المغناطيسي للتسرب أكبر ، كلما زاد التدفق المغناطيسي Φ2في قسم S2. مساحة المقطع العرضي S2يتناسب مع جيب تمام الزاوية  , هو مبين في الشكل 42. عند  = 90 درجة ، هذه المنطقة تساوي الصفر ، عند  =0° الأمر الأكثر أهمية.

وبالتالي ، من أجل اكتشاف العيوب ، من الضروري أن تكون خطوط الحث المغناطيسي للقوة في منطقة التحكم في الجزء متعامدة مع مستوى العيب المزعوم.

يشبه توزيع التدفق المغناطيسي على قسم الجزء المعيب توزيع تدفق المياه في قناة ذات حاجز. سيكون ارتفاع الموجة في منطقة الحاجز المغمور بالكامل أكبر ، كلما اقتربت قمة الحاجز من سطح الماء. وبالمثل ، يسهل اكتشاف العيب تحت السطحي للجزء ، كلما كان عمق حدوثه أصغر.

10.5 كشف الخلل

لاكتشاف العيوب ، يلزم وجود جهاز يسمح للشخص بتحديد خصائص المجال الضال للعيب. يمكن تحديد هذا المجال المغناطيسي من المكونات ح س ، ح ص ، ح ض.

ومع ذلك ، يمكن أن تحدث الحقول الشاردة ليس فقط بسبب عيب ، ولكن أيضًا بسبب عوامل أخرى: عدم التجانس الهيكلي للمعدن ، تغيير حاد في المقطع العرضي (بالتفصيل شكل معقد), بالقطع، التأثيرات ، خشونة السطح ، إلخ. لذلك ، تحليل الاعتماد على إسقاط واحد (على سبيل المثال ، هرتز) من الإحداثي المكاني ( xأو ذ) يمكن أن تكون مهمة صعبة.

ضع في اعتبارك المجال المغناطيسي الشارد بالقرب من العيب (الشكل 43). يظهر هنا صدع مثالي طويل بلا حدود مع حواف ناعمة. ممدود على طول المحور ذالتي في الشكل موجهة نحونا. توضح الأرقام 1 و 2 و 3 و 4 كيف يتغير حجم واتجاه متجه شدة المجال المغناطيسي عند الاقتراب من الكراك من اليسار.

شكل 43 حقل مغناطيسي شارد بالقرب من عيب

يتم قياس المجال المغناطيسي على مسافة ما من سطح الجزء. يتم عرض المسار الذي يتم من خلاله أخذ القياسات بخط منقط. يمكن إنشاء مقادير واتجاهات المتجهات على يمين الشق بطريقة مماثلة (أو استخدام تناظر الشكل). على يمين صورة المجال الشارد ، مثال على الموقع المكاني للمتجه ح واثنين من مكوناته ح س و هرتز . مخططات تبعية الإسقاط ح سو هرتزالحقول الضالة من الإحداثيات xظاهر أدناه.

يبدو أنه عند البحث عن قيمة قصوى H x أو صفر H z ، يمكن للمرء أن يجد عيبًا. ولكن كما هو مذكور أعلاه ، فإن الحقول الضالة لا تتشكل فقط من العيوب ، ولكن أيضًا من عدم التجانس الهيكلي للمعدن ، من آثار التأثيرات الميكانيكية ، إلخ.

دعنا نفكر في صورة مبسطة لتشكيل الحقول الضالة على جزء بسيط (الشكل 44) مشابه للجزء الموضح في الشكل 41 ، والرسوم البيانية لتبعيات الإسقاط ح ض ، ح سمن الإحداثيات x(العيب ممدود على طول المحور ذ).

الرسوم البيانية التبعية ح سو هرتزمن xمن الصعب جدًا اكتشاف عيب ، نظرًا لقيم القيم القصوى ح سو هرتزأكثر من عيب وأكثر من عدم التجانس قابلة للمقارنة.

تم العثور على مخرج عندما تم اكتشاف ذلك في منطقة الخلل السرعة القصوىتغيير (شدة) شدة المجال المغناطيسي لبعض الإحداثيات أكبر من الحد الأقصى الآخر.

يوضح الشكل 44 أن أقصى ميل للرسم البياني ح ض (س)بين النقاط × 1و x2(أي في منطقة الخلل) أكبر بكثير من الأماكن الأخرى.

وبالتالي ، يجب ألا يقيس الجهاز إسقاط شدة المجال ، ولكن "معدل" تغيره ، أي نسبة فرق الإسقاط عند نقطتين متجاورتين فوق سطح الجزء إلى المسافة بين هاتين النقطتين:

(10.5)

أين H z (x 1)، H z (x 2)- قيم الإسقاط المتجه ح لكل محور ضفي نقاط × 1 ، × 2(على يسار ويمين العيب) ، Gz (x)يشار إليه عادة باسم تدرج المجال المغناطيسي.

مدمن Gz (x)هو مبين في الشكل 44. المسافة Dx \ u003d × 2 - × 1بين النقاط التي يتم عندها قياس الإسقاطات المتجهة ح لكل محور ض ،يتم اختياره مع مراعاة أبعاد الخلل الضال.

على النحو التالي من الشكل 44 ، وهذا يتفق جيدًا مع الممارسة ، فإن قيمة التدرج فوق الخلل أكبر بكثير من قيمته على عدم تجانس الجزء المعدني. هذا هو ما يجعل من الممكن تسجيل عيب بشكل موثوق من خلال تجاوز قيمة العتبة بواسطة التدرج اللوني (الشكل 44).

باختيار قيمة العتبة المطلوبة ، من الممكن تقليل أخطاء التحكم إلى القيم الدنيا.

الشكل 44 خطوط القوة للمجال المغناطيسي للعيب وعدم تجانس الجزء المعدني.

10.6 طريقة Ferroprobe

تعتمد طريقة fluxgate على قياس تدرج قوة المجال المغناطيسي الشارد الناتج عن خلل في منتج ممغنط بجهاز fluxgate ومقارنة نتيجة القياس بالعتبة.

خارج الجزء المتحكم فيه ، يوجد مجال مغناطيسي معين يتم إنشاؤه لمغنطته. يضمن استخدام كاشف الخلل - مقياس التدرج اختيار إشارة ناتجة عن عيب على خلفية مكون كبير إلى حد ما من شدة المجال المغناطيسي التي تتغير ببطء في الفضاء.

يستخدم كاشف الخلل في fluxgate محول طاقة يستجيب لمكون التدرج للمكون الطبيعي لشدة المجال المغناطيسي على سطح الجزء. يحتوي محول الطاقة للكشف عن الخلل على قضيبين متوازيين مصنوعين من سبيكة مغناطيسية ناعمة خاصة. أثناء الفحص ، تكون القضبان متعامدة مع سطح الجزء ، أي موازية للمكون الطبيعي لشدة المجال المغناطيسي. تحتوي القضبان على ملفات متطابقة يتدفق من خلالها التيار المتردد. هذه اللفات متصلة في سلسلة. يخلق التيار المتردد مكونات متغيرة لشدة المجال المغناطيسي في القضبان. تتطابق هذه المكونات في الحجم والاتجاه. بالإضافة إلى ذلك ، هناك مكون ثابت لشدة المجال المغناطيسي للجزء في موقع كل قضيب. قيمة Δx، المتضمنة في الصيغة (10.5) ، تساوي المسافة بين محاور القضبان وتسمى قاعدة المحول. يتم تحديد جهد خرج المحول من خلال الفرق بين الفولتية المتناوبة على اللفات.

دعونا نضع محول الطاقة للكشف عن الخلل على جزء من الجزء بدون عيب ، حيث قيم شدة المجال المغناطيسي عند النقاط × 1 ؛ × 2(انظر الصيغة (10.5)) هي نفسها. هذا يعني أن انحدار المجال المغناطيسي يساوي صفرًا. ثم ستعمل نفس المكونات الثابتة والمتغيرة لشدة المجال المغناطيسي على كل قضيب من المحول. ستقوم هذه المكونات بإعادة مغناطيس القضبان بالتساوي ، وبالتالي فإن الفولتية على اللفات متساوية مع بعضها البعض. فرق الجهد الذي يحدد إشارة الخرج هو صفر. وبالتالي ، فإن محول الطاقة للكشف عن الخلل لا يستجيب للمجال المغناطيسي إذا لم يكن هناك انحدار.

إذا كان انحدار شدة المجال المغناطيسي لا يساوي الصفر ، فستكون القضبان في نفس المجال المغناطيسي المتناوب ، لكن المكونات الثابتة ستكون مختلفة. تتم إعادة مغنطة كل قضيب عن طريق تبديل تيار متعرج من حالة ذات حث مغناطيسي - في S.ل + في S.وفقًا لقانون الحث الكهرومغناطيسي ، يمكن أن يظهر الجهد على الملف فقط عندما يتغير الحث المغناطيسي. لذلك ، يمكن تقسيم فترة تذبذبات التيار المتردد إلى فترات عندما يكون القضيب في حالة تشبع ، وبالتالي يكون الجهد على الملف صفراً ، وإلى فترات زمنية عندما لا يكون هناك تشبع ، مما يعني أن الجهد يختلف عن الصفر . في تلك الفترات الزمنية التي لا يتم فيها ممغنط كلا القضيبين إلى التشبع ، تظهر نفس الفولتية على اللفات. في هذا الوقت ، إشارة الخرج هي صفر. سيحدث نفس الشيء مع التشبع المتزامن لكلا القضيبين ، عندما لا يكون هناك جهد على اللفات. يظهر جهد الخرج عندما يكون أحد النواة في حالة مشبعة والآخر في حالة غير مشبعة.

يؤدي العمل المتزامن للمكونات الثابتة والمتغيرة لشدة المجال المغناطيسي إلى حقيقة أن كل قلب في حالة مشبعة واحدة لأكثر من منذ وقت طويلمن الآخر. يتوافق التشبع الأطول مع إضافة المكونات الثابتة والمتغيرة لشدة المجال المغناطيسي ، إلى عنصر أقصر - الطرح. الفرق بين الفترات الزمنية التي تتوافق مع قيم الحث المغناطيسي في S.و - في S.، يعتمد على قوة المجال المغناطيسي الثابت. ضع في اعتبارك الحالة مع الحث المغناطيسي + في S.على قضبان محول. اختلاف قيم شدة المجال المغناطيسي عند النقاط × 1و × 2سوف تتوافق مع مدة مختلفة لفترات التشبع المغناطيسي للقضبان. كلما زاد الاختلاف بين هذه القيم لشدة المجال المغناطيسي ، زادت الفترات الزمنية المختلفة. خلال تلك الفترات الزمنية عندما يكون أحد القضبان مشبعًا والآخر غير مشبع ، يحدث جهد الخرج للمحول. يعتمد هذا الجهد على تدرج قوة المجال المغناطيسي.

عند توصيلهما بموصلين متوازيين للتيار الكهربي ، فسوف يجتذبون أو يتنافرون ، اعتمادًا على اتجاه (قطبية) التيار المتصل. يفسر ذلك ظهور نوع خاص من المادة حول هذه الموصلات. هذه المسألة تسمى المجال المغناطيسي (MF). القوة المغناطيسية هي القوة التي تعمل بها الموصلات على بعضها البعض.

نشأت نظرية المغناطيسية في العصور القديمة ، في حضارة آسيا القديمة. في مغنيسيا ، في الجبال ، وجدوا صخرة خاصة ، يمكن أن تنجذب قطع منها إلى بعضها البعض. باسم المكان ، كان يسمى هذا الصنف "المغناطيس". يحتوي قضيب المغناطيس على قطبين. تظهر خصائصه المغناطيسية بشكل خاص في القطبين.

سيُظهر المغناطيس المعلق على خيط جوانب الأفق بقطبيه. سوف يتحول أقطابها إلى الشمال والجنوب. تعمل البوصلة على هذا المبدأ. الأقطاب المقابلة لمغناطيسين تتجاذب وتتنافر مثل الأقطاب.

وجد العلماء أن إبرة ممغنطة ، تقع بالقرب من الموصل ، تنحرف عندما يمر تيار كهربائي عبرها. هذا يشير إلى أن MF يتكون حوله.

يؤثر المجال المغناطيسي على:

تحريك الشحنات الكهربائية.
مواد تسمى المغناطيسات الحديدية: الحديد والحديد الزهر وسبائكها.

المغناطيس الدائم عبارة عن أجسام لها لحظة مغناطيسية مشتركة للجسيمات المشحونة (الإلكترونات).

1 — القطب الجنوبيمغناطيس
2 - القطب الشمالي للمغناطيس
3 - MP على مثال برادة معدنية
4 - اتجاه المجال المغناطيسي

تظهر خطوط الحقل عندما يقترب المغناطيس الدائم من ورقة تُسكب عليها طبقة من برادة الحديد. يوضح الشكل بوضوح أماكن القطبين مع خطوط القوة الموجهة.

مصادر المجال المغناطيسي

• المجال الكهربائي الذي يتغير بمرور الوقت.
• رسوم المحمول.
• مغناطيس دائم.

لقد عرفنا المغناطيس الدائم منذ الطفولة. تم استخدامها كلعب تجذب أجزاء معدنية مختلفة لأنفسهم. تم توصيلها بالثلاجة ، وتم تصنيعها في ألعاب مختلفة.

غالبًا ما تحتوي الشحنات الكهربائية المتحركة على طاقة مغناطيسية أكثر من المغناطيس الدائم.

ملكيات

• رئيس السمة المميزةوخاصية المجال المغناطيسي هي النسبية. إذا تُرك جسم مشحون بلا حراك في إطار مرجعي معين ، وتم وضع إبرة مغناطيسية في مكان قريب ، فستشير إلى الشمال ، وفي نفس الوقت لن "تشعر" بحقل غريب ، باستثناء مجال الأرض . وإذا بدأ الجسم المشحون في التحرك بالقرب من السهم ، فسيظهر مجال مغناطيسي حول الجسم. نتيجة لذلك ، يتضح أن MF يتشكل فقط عندما تتحرك شحنة معينة.
• المجال المغناطيسي قادر على التأثير والتأثير على التيار الكهربائي. يمكن اكتشافه من خلال مراقبة حركة الإلكترونات المشحونة. في المجال المغناطيسي ، تنحرف الجسيمات المشحونة ، وتتحرك الموصلات ذات التيار المتدفق. سوف يدور الإطار الذي يعمل بالطاقة الحالية ، وستتحرك المواد الممغنطة مسافة معينة. غالبًا ما يتم رسم إبرة البوصلة لون ازرق. إنه شريط من الفولاذ الممغنط. تتجه البوصلة دائمًا إلى الشمال ، لأن الأرض بها مجال مغناطيسي. الكوكب كله مثل مغناطيس كبير بقطبيه.

المجال المغناطيسي لا يدركه الأعضاء البشرية ، ولا يمكن اكتشافه إلا بواسطة أجهزة وأجهزة استشعار خاصة. إنه متغير ودائم. عادة ما يتم إنشاء حقل متناوب بواسطة محاثات خاصة تعمل على التيار المتردد. يتكون الحقل الثابت من مجال كهربائي ثابت.

قواعد

ضع في اعتبارك القواعد الأساسية لصورة المجال المغناطيسي لمختلف الموصلات.

حكم gimlet

يُصوَّر خط القوة في مستوى يقع بزاوية 90 0 على المسار الحالي بحيث يتم توجيه القوة في كل نقطة بشكل عرضي إلى الخط.

لتحديد اتجاه القوى المغناطيسية ، عليك أن تتذكر قاعدة المثقاب ذي الخيط الأيمن.

يجب وضع المخرج على طول نفس المحور مثل المتجه الحالي ، ويجب تدوير المقبض بحيث يتحرك المخرج في اتجاه اتجاهه. في هذه الحالة ، يتم تحديد اتجاه الخطوط عن طريق تدوير مقبض المثقاب.

حكم gimlet الدائري

تُظهر الحركة الانتقالية للمخوق في الموصل ، المصنوعة على شكل حلقة ، كيفية توجيه الحث ، ويتزامن الدوران مع التدفق الحالي.

خطوط القوة لها استمرار داخل المغناطيس ولا يمكن فتحها.

مجال مغناطيسي مصادر مختلفةتلخصت مع بعضها البعض. وبذلك ، فإنهم يخلقون مجالًا مشتركًا.

المغناطيسات التي لها نفس القطب تتنافر مع بعضها البعض ، في حين أن المغناطيسات ذات الأقطاب المختلفة تتجاذب. تعتمد قيمة قوة التفاعل على المسافة بينهما. مع اقتراب القطبين ، تزداد القوة.

معلمات المجال المغناطيسي

• تسلسل الدفق ( Ψ ).
• ناقل الحث المغناطيسي ( في).
• الفيض المغناطيسي ( F).

تُحسب شدة المجال المغناطيسي بحجم متجه الحث المغناطيسي ، والذي يعتمد على القوة F ، ويتشكل بواسطة التيار I عبر موصل له طول ل: V \ u003d F / (I * l).

يقاس الحث المغناطيسي بـ Tesla (Tl) ، تكريما للعالم الذي درس ظاهرة المغناطيسية وتعامل مع طرق حسابها. 1 T يساوي تحريض التدفق المغناطيسي بالقوة 1 نفي الطول 1 مموصل مستقيم بزاوية 90 0 إلى اتجاه المجال ، بتيار متدفق من أمبير واحد:

1 T = 1 x H / (A x m).

حكم اليد اليسرى

تحدد القاعدة اتجاه ناقل الحث المغناطيسي.

إذا تم وضع كف اليد اليسرى في الحقل بحيث تدخل خطوط المجال المغناطيسي راحة اليد من القطب الشمالي عند 90 0 ، ويتم وضع 4 أصابع على طول التيار ، إبهاميوضح اتجاه القوة المغناطيسية.

إذا كان الموصل بزاوية مختلفة ، فستعتمد القوة بشكل مباشر على التيار وإسقاط الموصل على مستوى بزاوية قائمة.

لا تعتمد القوة على نوع مادة الموصل والمقطع العرضي لها. إذا لم يكن هناك موصل ، وتحركت الشحنات في وسط آخر ، فلن تتغير القوة.

عندما يكون اتجاه متجه المجال المغناطيسي في اتجاه واحد بحجم واحد ، يسمى المجال منتظم. تؤثر البيئات المختلفة على حجم ناقل الحث.

الفيض المغناطيسي

الحث المغناطيسي الذي يمر عبر منطقة معينة S ومحدود بهذه المنطقة هو تدفق مغناطيسي.

إذا كانت المنطقة تحتوي على منحدر بزاوية ما α لخط الاستقراء ، فإن التدفق المغناطيسي ينخفض ​​بحجم جيب تمام هذه الزاوية. تتشكل أكبر قيمة لها عندما تكون المنطقة في زوايا قائمة على الحث المغناطيسي:

F \ u003d B * S.

يتم قياس التدفق المغناطيسي بوحدة مثل "ويبر"، وهو ما يساوي تدفق الاستقراء بالقيمة 1 تحسب المنطقة في 1 م 2.

ربط التدفق

يستخدم هذا المفهوم للخلق معنى عامالتدفق المغناطيسي ، والذي يتم إنشاؤه من عدد معين من الموصلات الموجودة بين الأقطاب المغناطيسية.

عندما نفس التيار أنايتدفق من خلال الملف مع عدد المنعطفات n ، إجمالي التدفق المغناطيسي المتكون من جميع المنعطفات هو رابط التدفق.

ربط التدفق Ψ تقاس بوابر ، وتساوي: Ψ = ن * و.

الخواص المغناطيسية

تحدد النفاذية مقدار المجال المغناطيسي في وسط معين أقل أو أعلى من تحريض المجال في الفراغ. يقال أن المادة ممغنطة إذا كان لها مجال مغناطيسي خاص بها. عندما يتم وضع مادة في مجال مغناطيسي ، فإنها تصبح ممغنطة.

حدد العلماء سبب اكتساب الأجسام للخصائص المغناطيسية. وفقًا لفرضية العلماء ، توجد داخل المواد التيارات الكهربائيةالحجم المجهري. للإلكترون عزم مغناطيسي خاص به ، له طبيعة كمومية ، يتحرك في مدار معين في الذرات. هذه التيارات الصغيرة هي التي تحدد الخصائص المغناطيسية.

إذا كانت التيارات تتحرك بشكل عشوائي ، فإن المجالات المغناطيسية التي تسببها هي ذاتية التعويض. يجعل المجال الخارجي التيارات مرتبة ، لذلك يتم تشكيل مجال مغناطيسي. هذا هو مغنطة المادة.

يمكن تقسيم المواد المختلفة وفقًا لخصائص التفاعل مع المجالات المغناطيسية.

وهي مقسمة إلى مجموعات:

باراماجنيتس- المواد التي لها خصائص مغنطة في اتجاه المجال الخارجي ، مع احتمال ضئيل للمغناطيسية. لديهم قوة مجال إيجابية. تشمل هذه المواد كلوريد الحديديك والمنغنيز والبلاتين وما إلى ذلك.
المغناطيسات الحديدية- المواد ذات اللحظات المغناطيسية غير المتوازنة في الاتجاه والقيمة. وهي تتميز بوجود مغنطيسية حديدية غير معوضة. تؤثر شدة المجال ودرجة الحرارة على حساسيتهم المغناطيسية (أكاسيد مختلفة).
المغناطيسات الحديدية- المواد ذات القابلية الإيجابية المتزايدة ، حسب شدة ودرجة الحرارة (بلورات الكوبالت والنيكل وما إلى ذلك).
دياماجنيتس- لها خاصية المغنطة في الاتجاه المعاكس للحقل الخارجي ، أي ، معنى سلبيالقابلية المغناطيسية ، بغض النظر عن الشدة. في حالة عدم وجود مجال ، لن يكون لهذه المادة خصائص مغناطيسية. وتشمل هذه المواد: الفضة والبزموت والنيتروجين والزنك والهيدروجين ومواد أخرى.
مغناطيس مغناطيسي - لها عزم مغناطيسي متوازن ، مما يؤدي إلى انخفاض درجة مغنطة المادة. عند تسخينها ، فإنها تمر بمرحلة انتقالية للمادة ، حيث تنشأ الخواص المغناطيسية. عندما تنخفض درجة الحرارة عن حد معين ، لن تظهر هذه الخصائص (الكروم والمنغنيز).

يتم تصنيف المغناطيسات المدروسة أيضًا إلى فئتين أخريين:

مواد مغناطيسية ناعمة . لديهم قوة قسرية منخفضة. في المجالات المغناطيسية الضعيفة ، يمكنهم التشبع. خلال عملية انعكاس المغنطة ، لديهم خسائر طفيفة. نتيجة لذلك ، يتم استخدام هذه المواد لإنتاج النوى للأجهزة الكهربائية التي تعمل على الجهد المتردد (، المولد ،).
مغناطيسي صلبمواد. لديهم قيمة متزايدة للقوة القسرية. لإعادة مغناطيسها ، يلزم وجود مجال مغناطيسي قوي. تستخدم هذه المواد في إنتاج المغناطيس الدائم.

الخواص المغناطيسية مواد مختلفةتجد استخدامها في مشاريع فنيةوالاختراعات.

الدوائر المغناطيسية

يسمى الجمع بين عدة مواد مغناطيسية بالدائرة المغناطيسية. إنها أوجه تشابه ويتم تحديدها من خلال قوانين الرياضيات المماثلة.

على أساس الدوائر المغناطيسية ، تعمل الأجهزة الكهربائية ، المحاثات. في المغناطيس الكهربائي العامل ، يتدفق التدفق عبر دائرة مغناطيسية مصنوعة من مادة مغناطيسية حديدية والهواء ، وهو ليس مغناطيسًا حديديًا. الجمع بين هذه المكونات هو دائرة مغناطيسية. تحتوي العديد من الأجهزة الكهربائية على دوائر مغناطيسية في تصميمها.