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 مغناطيسي – نوع خاصموضوع. يتجلى في العمل على التحرك الشحنات الكهربائيةوالأجسام 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 خطوط مغناطيسية . 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. حقل مغناطيسيمغادرة الشمال ودخول 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 ما هي عليه. كهرباء، لتوليد مجال مغناطيسي. 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 إلى الداخل نقاط مختلفةالفضاء لا يبقى دون تغيير.
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 شمالي و الأقطاب الجنوبية. 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 الفيض المغناطيسي- ويبر (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.
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. يتعايش معنا في العالم المادي المرئي نوع خاص من المادة - مجال مغناطيسي. 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. تسمى هذه الظاهرة بالحث الكهرومغناطيسي وهي حاليًا الطريقة الرئيسية للحصول على الابتدائية 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. إضافي الظواهر المغناطيسيةدرسها علماء مشهورون مثل Lorentz و Maxwell و Ampère و Einstein ، إلخ.
1. غالبًا ما يتم تسهيل وصف خصائص المجال المغناطيسي ، وكذلك المجال الكهربائي ، من خلال إدخال ما يسمى بخطوط القوة لهذا المجال في الاعتبار. بحكم التعريف ، خطوط المجال المغناطيسي هي خطوط ، اتجاه الظل الذي يتزامن عند كل نقطة من المجال مع اتجاه شدة المجال عند نفس النقطة. من الواضح أن المعادلة التفاضلية لهذه الخطوط سيكون لها صيغة المعادلة (10.3)]
عادةً ما يتم رسم خطوط القوة المغناطيسية ، مثل الخطوط الكهربائية ، بحيث يتناسب عدد الخطوط التي تعبر منطقة سطح الوحدة المتعامدة معها ، إن أمكن ، مع شدة المجال في هذه المنطقة ؛ ومع ذلك ، كما سنرى أدناه ، فإن هذا المطلب ليس ممكنًا دائمًا بأي حال من الأحوال.
2 على أساس المعادلة (3.6)
توصلنا إلى الاستنتاج التالي في الفقرة 10: خطوط القوة الكهربائية يمكن أن تبدأ أو تنتهي فقط عند تلك النقاط في المجال الذي توجد فيه الشحنات الكهربائية. بتطبيق نظرية غاوس (17) على تدفق المتجه المغناطيسي ، نحصل على أساس المعادلة (47.1)
وبالتالي ، على عكس تدفق المتجه الكهربائي ، فإن تدفق المتجه المغناطيسي عبر سطح مغلق بشكل تعسفي يساوي صفرًا دائمًا. هذا الموقف هو تعبير رياضي عن حقيقة أنه لا توجد شحنات مغناطيسية مماثلة للشحنات الكهربائية: لا يتم إثارة المجال المغناطيسي بالشحنات المغناطيسية ، ولكن بواسطة حركة الشحنات الكهربائية (أي التيارات). بناءً على هذا الموقف وعلى مقارنة المعادلة (53.2) بالمعادلة (3.6) ، من السهل التحقق ، من خلال المنطق الوارد في الفقرة 10 ، من أن خطوط القوة المغناطيسية في أي نقطة في المجال لا يمكن أن تبدأ ولا تنتهي
3. من هذا الظرف ، نستنتج عادة أن خطوط القوة المغناطيسية ، على عكس الخطوط الكهربائية ، يجب أن تكون خطوطًا مغلقة أو تنتقل من اللانهاية إلى اللانهاية.
في الواقع ، كلتا الحالتين ممكنتين. وفقًا لنتائج حل المسألة 25 في الفقرة 42 ، فإن خطوط القوة في مجال تيار مستقيم مستقيم لانهائي هي دوائر متعامدة مع التيار ومتمركزة على محور التيار. من ناحية أخرى (انظر المسألة 26) ، يتطابق اتجاه المتجه المغناطيسي في مجال تيار دائري عند جميع النقاط الواقعة على محور التيار مع اتجاه هذا المحور. وهكذا ، يتطابق محور التيار الدائري مع انتقال خط القوة من اللانهاية إلى اللانهاية ؛ الرسم الموضح في الشكل. 53 ، هو جزء من التيار الدائري بواسطة المستوى الزولي (أي المستوى
عمودي على مستوى التيار ويمر عبر مركزه) ، حيث تظهر الخطوط المتقطعة خطوط القوة لهذا التيار
ومع ذلك ، هناك حالة ثالثة ممكنة أيضًا ، والتي لا يتم لفت الانتباه إليها دائمًا ، وهي: قد لا يكون لخط القوة بداية ولا نهاية وفي نفس الوقت لا يتم إغلاقه ولا ينتقل من اللانهاية إلى اللانهاية. تحدث هذه الحالة إذا كان خط القوة يملأ سطحًا معينًا ، علاوة على ذلك ، باستخدام مصطلح رياضي ، يملأه بكثافة في كل مكان. أسهل طريقة لشرح ذلك هي من خلال مثال ملموس.
4. ضع في اعتبارك مجال التيارين - تيار مسطح دائري وتيار مستقيم لانهائي يتدفق على طول المحور الحالي (الشكل 54). إذا كان هناك تيار واحد فقط ، فإن خطوط المجال الخاصة بمجال هذا التيار ستقع في مستويات خطية وسيكون لها الشكل الموضح في الشكل السابق. ضع في اعتبارك أحد هذه الخطوط الموضحة في الشكل. 54 خط متقطع. تشكل مجموعة كل الخطوط المشابهة لها ، والتي يمكن الحصول عليها عن طريق تدوير المستوى الزولي حول المحور ، سطح حلقة أو طارة معينة (الشكل 55).
خطوط القوة في مجال التيار المستقيم هي دوائر متحدة المركز. لذلك ، عند كل نقطة من السطح ، يكون كلاهما مماسًا لهذا السطح ؛ لذلك ، فإن متجه شدة المجال الناتج يكون أيضًا مماسًا له. هذا يعني أن كل خط قوة للمجال يمر عبر نقطة واحدة من السطح يجب أن يقع على هذا السطح بكل نقاطه. من الواضح أن هذا الخط سيكون بمثابة حلزون
سطح الطارة سيعتمد مسار هذا اللولب على نسبة قوة التيارات وموضع السطح وشكله ، ومن الواضح أنه في ظل اختيار معين محدد لهذه الظروف سيتم إغلاق هذا اللولب ؛ بشكل عام ، عندما يستمر الخط ، سوف تكمن المنعطفات الجديدة منه بين المنعطفات السابقة. عندما يستمر الخط إلى أجل غير مسمى ، فإنه سيقترب بقدر ما يحلو له من أي نقطة يمر بها ، لكنه لن يعود إليه مرة أخرى. وهذا يعني أنه بينما يظل هذا الخط مفتوحًا ، فإن هذا الخط سيملأ سطح الحلقة في كل مكان بكثافة.
5. لإثبات إمكانية وجود خطوط قوة غير مغلقة بدقة ، نقدم إحداثيات متعامدة منحنية الخطوط على سطح الطارة y (سمت المستوى الزوال) و (الزاوية القطبية في المستوى الزولي مع تحديد الرأس عند تقاطع هذا المستوى مع محور الحلقة - الشكل 54).
شدة المجال على سطح الطارة هي دالة بزاوية واحدة فقط ، مع توجيه المتجه في اتجاه زيادة (أو نقصان) هذه الزاوية ، والمتجه في اتجاه زيادة (أو نقصان) الزاوية. يجب أن تكون هناك مسافة لنقطة معينة من السطح من خط مركز الحلقة ، وبعدها عن المحور الرأسي كما يسهل رؤيته ، يتم التعبير عن عنصر طول الخط الذي يقع عليه بواسطة الصيغة
وفقاً لذلك المعادلة التفاضليةخطوط القوة [راجع. المعادلة (53.1)] على السطح تأخذ الشكل
مع الأخذ في الاعتبار أنها تتناسب مع قوة التيارات وتكاملها ، نحصل عليها
أين توجد وظيفة زاوية مستقلة عن.
لكي يتم إغلاق الخط ، أي لكي يعود إلى نقطة البداية ، من الضروري أن يتوافق عدد صحيح معين من دورات الخط حول الحلقة مع عدد صحيح من دوراته حول المحور الرأسي. بمعنى آخر ، من الضروري أن يكون من الممكن إيجاد عددين صحيحين من هذا القبيل nm ، بحيث تتوافق الزيادة في الزاوية مع زيادة الزاوية بمقدار
دعونا الآن نأخذ في الاعتبار ما هو التكامل وظيفة دوريةزاوية مع فترة كما هو معروف ، التكامل
دالة دورية في الحالة العامة هي مجموع دالة دورية ودالة خطية. وسائل،
حيث K ثابت إلى حد ما ، هناك دالة ذات فترة لذلك ،
عند إدخال هذا في المعادلة السابقة ، نحصل على شرط إغلاق خطوط القوة على سطح الطارة
هنا K كمية مستقلة عن. من الواضح أنه لا يمكن العثور على رقمين صحيحين من الكعب يلبي هذا الشرط إلا إذا كانت القيمة - K هي رقم منطقي (عدد صحيح أو كسري) ؛ سيحدث هذا فقط لنسبة معينة بين قوى التيارات.بشكل عام ، ستكون - K كمية غير منطقية ، وبالتالي ، ستكون خطوط القوة على سطح الطارة قيد الدراسة مفتوحة. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، يمكنك دائمًا اختيار عدد صحيح بحيث - يختلف قليلاً بشكل تعسفي عن عدد صحيح. وهذا يعني أن خط القوة المفتوح ، بعد عدد كافٍ من الثورات ، سيقترب بقدر ما تريد من أي نقطة في مر المجال مرة واحدة. بطريقة مماثلة ، يمكن إثبات أن هذا الخط ، بعد عدد كافٍ من الثورات ، سيقترب بقدر ما هو مرغوب من أي نقطة محددة مسبقًا على السطح ، وهذا يعني ، بحكم التعريف ، أنه يملأ هذا السطح بكثافة في كل مكان.
6. من الواضح أن وجود خطوط قوة مغناطيسية غير مغلقة تملأ سطحًا معينًا بكثافة في كل مكان يجعل من المستحيل إجراء ذلك بدقة صورة بيانيةالحقول مع هذه الخطوط. على وجه الخصوص ، ليس من الممكن دائمًا تلبية مطلب أن يكون عدد الخطوط التي تعبر منطقة وحدة متعامدة معها متناسبًا مع شدة المجال في هذه المنطقة. لذلك ، على سبيل المثال ، في الحالة التي تم النظر فيها للتو ، نفس الخط المفتوح عدد لا حصر لهالأوقات تتقاطع مع أي نقطة نهاية تتقاطع مع سطح الحلقة
ومع ذلك ، مع العناية الواجبة ، فإن استخدام مفهوم خطوط القوة ، على الرغم من أنه تقريبي ، إلا أنه لا يزال طريقة ملائمة وتوضيحية لوصف المجال المغناطيسي.
7. وفقًا للمعادلة (47.5) ، فإن دوران متجه المجال المغناطيسي على طول المنحنى الذي لا يغطي التيارات يساوي الصفر ، بينما يكون الدوران على طول المنحنى الذي يغطي التيارات مساويًا لمجموع قوى التيارات المغطاة (تؤخذ مع العلامات الصحيحة). لا يمكن أن يكون دوران المتجه على طول خط الحقل مساويًا للصفر (نظرًا لتوازي عنصر الطول لخط الحقل والمتجه ، تكون القيمة موجبة بشكل أساسي). لذلك ، يجب أن يغطي كل خط مجال مغناطيسي مغلق واحدًا على الأقل من الموصلات الحاملة للتيار. علاوة على ذلك ، خطوط القوة المفتوحة التي تملأ بعض الأسطح بكثافة (ما لم تنتقل من اللانهاية إلى اللانهاية) يجب أيضًا أن تلتف حول التيارات ، وفي الواقع ، فإن المتجه المتكامل على منعطف مغلق تقريبًا لمثل هذا الخط يكون موجبًا بشكل أساسي. لذلك ، فإن الدوران على طول المحيط المغلق الذي تم الحصول عليه من هذا الملف عن طريق إضافة جزء صغير بشكل تعسفي يغلقه يكون غير صفري. لذلك ، يجب أن تكون هذه الدائرة مثقوبة بالتيار.
وبالتالي ، فإن تحريض المجال المغناطيسي على محور الملف الدائري مع التيار يتناقص بنسبة عكسية مع القوة الثالثة للمسافة من مركز الملف إلى نقطة على المحور. متجه الحث المغناطيسي على محور الملف موازٍ للمحور. يمكن تحديد اتجاهه باستخدام المسمار الصحيح: إذا قمت بتوجيه المسمار الأيمن موازٍ لمحور الملف وقمت بتدويره في اتجاه التيار في الملف ، فسيظهر اتجاه الحركة الانتقالية للمسمار الاتجاه من ناقل الحث المغناطيسي.
3.5 خطوط المجال المغناطيسي
يتم تمثيل المجال المغناطيسي ، مثل المجال الإلكتروستاتيكي ، بشكل ملائم في شكل رسوم بيانية - باستخدام خطوط المجال المغناطيسي.
خط قوة المجال المغناطيسي هو خط ، المماس الذي يتطابق عند كل نقطة مع اتجاه ناقل الحث المغناطيسي.
يتم رسم خطوط القوة للمجال المغناطيسي بطريقة تتناسب كثافتها مع حجم الحث المغناطيسي: كلما زاد الحث المغناطيسي عند نقطة معينة ، زادت كثافة خطوط القوة.
وبالتالي ، فإن خطوط المجال المغناطيسي تشبه خطوط المجال الكهروستاتيكي.
ومع ذلك ، لديهم أيضًا بعض الخصائص المميزة.
ضع في اعتبارك مجالًا مغناطيسيًا تم إنشاؤه بواسطة موصل مستقيم مع التيار الأول.
دع هذا الموصل يكون عموديًا على مستوى الشكل.
في نقاط مختلفة تقع على نفس المسافة من الموصل ، يكون الحث هو نفسه في الحجم.
اتجاه متجه في في نقاط مختلفة موضحة في الشكل.
الخط ، المماس الذي يتطابق عند جميع النقاط مع اتجاه ناقل الحث المغناطيسي ، هو دائرة.
لذلك ، فإن خطوط المجال المغناطيسي في هذه الحالة عبارة عن دوائر تحيط بالموصل. تقع مراكز جميع خطوط القوة على الموصل.
وبالتالي ، يتم إغلاق خطوط القوة للمجال المغناطيسي (لا يمكن إغلاق خطوط القوة في المجال الكهروستاتيكي ، فهي تبدأ وتنتهي عند الشحنات).
لذلك فإن المجال المغناطيسي إيدي(ما يسمى الحقول التي خطوط قوتها مغلقة).
يعني انغلاق خطوط القوة ميزة أخرى مهمة جدًا للمجال المغناطيسي - في الطبيعة لا توجد (على الأقل لم يتم اكتشافها بعد) شحنات مغناطيسية من شأنها أن تكون مصدر مجال مغناطيسي لقطبية معينة.
لذلك ، لا يوجد قطب مغناطيسي شمالي أو جنوبي موجود بشكل منفصل للمغناطيس.
حتى لو رأيت مغناطيسًا دائمًا في النصف ، فستحصل على مغناطيسين ، كل منهما له كلا القطبين.
3.6 قوة لورنتز
ثبت تجريبيا أن القوة تعمل على شحنة تتحرك في مجال مغناطيسي. هذه القوة تسمى قوة لورنتز:
.
معامل قوة لورنتز
|
|
,
حيث أ هي الزاوية بين المتجهات الخامس و ب .
يعتمد اتجاه قوة لورنتز على اتجاه المتجه. يمكن تحديده باستخدام قاعدة اللولب اليمنى أو قاعدة اليد اليسرى. لكن اتجاه قوة لورنتز لا يتطابق بالضرورة مع اتجاه المتجه!
النقطة هي أن قوة لورنتز تساوي ناتج حاصل ضرب المتجه [ الخامس , في ] إلى عددي ف. إذا كانت الشحنة موجبة ، إذن F ليوازي المتجه [ الخامس , في ]. لو ف< 0, то сила Лоренца противоположна направлению вектора [الخامس , في ] (أنظر للشكل).
إذا تحرك جسيم مشحون بالتوازي مع خطوط المجال المغناطيسي ، فإن الزاوية a بين متجهات السرعة والحث المغناطيسي تساوي صفرًا. لذلك ، لا تعمل قوة لورنتز على مثل هذه الشحنة (الخطيئة 0 = 0 ، F ل = 0).
إذا تحركت الشحنة بشكل عمودي على خطوط المجال المغناطيسي ، فإن الزاوية a بين متجهي السرعة والحث المغناطيسي هي 90 0. في هذه الحالة ، يكون لقوة لورنتز أقصى قيمة ممكنة: F ل = ف الخامسب.
تكون قوة لورنتز دائمًا عمودية على سرعة الشحنة. هذا يعني أن قوة لورنتز لا تستطيع تغيير مقدار سرعة الحركة ، لكنها تغير اتجاهها.
لذلك ، في مجال مغناطيسي منتظم ، تتحرك الشحنة التي تنتقل إلى مجال مغناطيسي متعامد مع خطوط قوتها في دائرة.
إذا كانت قوة لورنتز فقط هي التي تعمل على الشحنة ، فإن حركة الشحنة تخضع للمعادلة التالية ، التي تم تجميعها على أساس قانون نيوتن الثاني: أماه = F ل.
نظرًا لأن قوة لورنتز متعامدة مع السرعة ، فإن تسارع الجسيم المشحون يكون جاذبًا (عاديًا): (هنا صهو نصف قطر انحناء مسار الجسيمات المشحونة).