یک میدان مغناطیسی خطوط. نظریه میدان مغناطیسی و حقایق جالب در مورد میدان مغناطیسی زمین

سرفصل های کد آزمون دولتی واحد: برهمکنش آهنرباها، میدان مغناطیسی یک هادی با جریان.

خواص مغناطیسی ماده از دیرباز برای مردم شناخته شده است. آهنرباها نام خود را از شهر باستانی مگنزیا گرفته اند: در مجاورت آن یک ماده معدنی معمولی وجود داشت (که بعدها سنگ آهن مغناطیسی یا مگنتیت نامیده شد) که قطعات آن اجسام آهنی را جذب می کرد.

برهم کنش آهنربایی

در دو طرف هر آهنربا وجود دارد قطب شمالو قطب جنوب. دو آهنربا توسط قطب های مخالف به یکدیگر جذب شده و توسط قطب های مشابه دفع می شوند. آهنرباها حتی از طریق خلاء هم می توانند روی یکدیگر اثر بگذارند! با این حال، همه اینها شبیه تعامل بارهای الکتریکی است برهمکنش آهنرباها الکتریکی نیست. این با حقایق تجربی زیر اثبات می شود.

با گرم شدن آهنربا، نیروی مغناطیسی ضعیف می شود. قدرت برهمکنش بارهای نقطه ای به دمای آنها بستگی ندارد.

اگر آهنربا تکان بخورد، نیروی مغناطیسی ضعیف می شود. چنین چیزی در مورد اجسام دارای بار الکتریکی اتفاق نمی افتد.

مثبت بارهای الکتریکیرا می توان از منفی جدا کرد (به عنوان مثال، در هنگام برق رسانی اجسام). اما جدا کردن قطب های آهنربا غیرممکن است: اگر آهنربا را به دو قسمت تقسیم کنید، قطب ها نیز در محل برش ظاهر می شوند و آهنربا به دو آهنربا با قطب های مخالف در انتها تقسیم می شود (دقیقاً به همان شکل جهت گیری می شود. به عنوان قطب های آهنربای اصلی).

بنابراین آهنربا همیشهدوقطبی، آنها فقط به شکل وجود دارند دوقطبی ها. قطب های مغناطیسی ایزوله (نامیده می شود تک قطبی های مغناطیسی- آنالوگ های بار الکتریکی) در طبیعت وجود ندارند (در هر صورت، آنها هنوز به طور تجربی کشف نشده اند). این شاید بارزترین عدم تقارن بین الکتریسیته و مغناطیس باشد.

مانند اجسام دارای بار الکتریکی، آهنرباها بر روی بارهای الکتریکی عمل می کنند. با این حال، آهنربا فقط روی آن عمل می کند در حال حرکتشارژ؛ اگر بار نسبت به آهنربا در حالت سکون باشد، اثر نیروی مغناطیسی روی بار مشاهده نمی شود. برعکس، یک جسم برق دار بدون توجه به اینکه در حال سکون باشد یا در حال حرکت، بر روی هر باری عمل می کند.

توسط ایده های مدرنتئوری برد کوتاه، برهمکنش آهنرباها از طریق انجام می شود میدان مغناطیسییعنی یک آهنربا میدان مغناطیسی را در فضای اطراف ایجاد می کند که روی آهنربای دیگری اثر می کند و باعث جاذبه یا دافعه قابل مشاهده این آهنرباها می شود.

نمونه ای از آهنربا است سوزن مغناطیسیقطب نما با استفاده از یک سوزن مغناطیسی، می توانید وجود یک میدان مغناطیسی در یک منطقه معین از فضا و همچنین جهت میدان را قضاوت کنید.

سیاره ما زمین یک آهنربای غول پیکر است. نه چندان دور از قطب شمال جغرافیایی زمین، قطب مغناطیسی جنوب قرار دارد. بنابراین، انتهای شمالی سوزن قطب نما که به سمت قطب مغناطیسی جنوب زمین می چرخد، به شمال جغرافیایی اشاره می کند. نام "قطب شمال" آهنربا از اینجا آمده است.

خطوط میدان مغناطیسی

به یاد می آوریم که میدان الکتریکی با استفاده از بارهای آزمایشی کوچک مورد مطالعه قرار می گیرد که بر اساس آن می توان بزرگی و جهت میدان را قضاوت کرد. آنالوگ بار آزمایشی در مورد میدان مغناطیسی یک سوزن مغناطیسی کوچک است.

به عنوان مثال، اگر میدان مغناطیسی را در آن قرار دهید، می توانید درک هندسی از آن به دست آورید نقاط مختلففلش های قطب نما بسیار کوچک را فاصله دهید. تجربه نشان می دهد که فلش ها در امتداد خطوط خاصی قرار می گیرند - به اصطلاح خطوط میدان مغناطیسی. اجازه دهید این مفهوم را در قالب سه نکته زیر تعریف کنیم.

1. خطوط میدان مغناطیسی یا مغناطیسی خطوط برق- اینها خطوط جهت دار در فضا هستند که دارای ویژگی زیر هستند: یک سوزن قطب نما کوچک که در هر نقطه از چنین خطی قرار می گیرد مماس بر این خط است..

2. جهت خط میدان مغناطیسی جهت انتهای شمالی سوزن های قطب نما در نقاطی از این خط در نظر گرفته می شود..

3. هر چه خطوط متراکم تر باشند، میدان مغناطیسی در یک منطقه معین از فضا قوی تر است..

براده های آهن می توانند با موفقیت به عنوان سوزن های قطب نما عمل کنند: در یک میدان مغناطیسی، براده های کوچک مغناطیسی می شوند و دقیقاً مانند سوزن های مغناطیسی رفتار می کنند.

بنابراین، با ریختن براده های آهن به دور آهنربای دائمی، تقریباً تصویر زیر را از خطوط میدان مغناطیسی خواهیم دید (شکل 1).

برنج. 1. میدان مغناطیسی دائمی

قطب شمال آهنربا با رنگ آبی و حرف مشخص می شود. قطب جنوب - به رنگ قرمز و حرف . لطفاً توجه داشته باشید که خطوط میدان از قطب شمال آهنربا خارج شده و وارد قطب جنوب می شوند: از این گذشته، انتهای شمالی سوزن قطب نما به سمت قطب جنوب آهنربا هدایت می شود.

تجربه ارستد

علیرغم اینکه برقی و پدیده های مغناطیسیاز زمان های قدیم برای مردم شناخته شده است، هیچ رابطه ای بین آنها برای مدت طولانی مشاهده نشد. برای چندین قرن، تحقیقات در مورد الکتریسیته و مغناطیس به طور موازی و مستقل از یکدیگر انجام می شد.

این واقعیت قابل توجه که پدیده های الکتریکی و مغناطیسی در واقع به یکدیگر مرتبط هستند برای اولین بار در سال 1820 - در آزمایش معروف Oersted - کشف شد.

نمودار آزمایش ارستد در شکل 1 نشان داده شده است. 2 (تصویر از سایت rt.mipt.ru). بالای سوزن مغناطیسی (و قطب شمال و جنوب سوزن هستند) یک هادی فلزی متصل به منبع جریان وجود دارد. اگر مدار را ببندید، فلش عمود بر هادی می چرخد!
این آزمایش ساده مستقیماً رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس را نشان داد. آزمایش‌هایی که از آزمایش اورستد پیروی کردند، الگوی زیر را به‌طور محکم ایجاد کردند: میدان مغناطیسی توسط جریان های الکتریکی ایجاد می شود و بر روی جریان ها تأثیر می گذارد.

برنج. 2. آزمایش ارستد

الگوی خطوط میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک هادی حامل جریان به شکل هادی بستگی دارد.

میدان مغناطیسی یک سیم مستقیم حامل جریان

خطوط میدان مغناطیسی یک سیم مستقیم حامل جریان، دایره های متحدالمرکز هستند. مرکز این دایره ها روی سیم قرار دارند و صفحات آنها عمود بر سیم هستند (شکل 3).

برنج. 3. میدان سیم مستقیم با جریان

دو قانون جایگزین برای تعیین جهت خطوط میدان مغناطیسی رو به جلو وجود دارد.

قانون عقربه های ساعت. خطوط میدان در خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌روند، اگر نگاه کنید تا جریان به سمت ما جاری شود.

قانون پیچ(یا قانون گیملت، یا قانون بستن چوب پنبه- این چیزی نزدیکتر به کسی است ;-)). خطوط میدان به جایی می روند که باید پیچ ​​را بچرخانید (با یک رزوه معمولی سمت راست) به طوری که در امتداد رزوه در جهت جریان حرکت کند..

از قانونی استفاده کنید که بیشتر برای شما مناسب است. بهتر است به قانون عقربه های ساعت عادت کنید - بعداً خودتان خواهید دید که استفاده از آن جهانی تر و آسان تر است (و سپس در سال اول خود، زمانی که هندسه تحلیلی مطالعه می کنید، آن را با سپاسگزاری به خاطر بسپارید).

در شکل 3 چیز جدیدی ظاهر شده است: این یک بردار است به نام القای میدان مغناطیسی، یا القای مغناطیسی. بردار القای مغناطیسی مشابه بردار قدرت میدان الکتریکی است: این بردار عمل می کند مشخصه قدرتمیدان مغناطیسی، تعیین نیرویی که میدان مغناطیسی بر روی بارهای متحرک اثر می کند.

ما بعداً در مورد نیروهای میدان مغناطیسی صحبت خواهیم کرد، اما در حال حاضر فقط توجه می کنیم که مقدار و جهت میدان مغناطیسی توسط بردار القای مغناطیسی تعیین می شود. در هر نقطه از فضا، بردار در همان جهت هدایت می شود که انتهای شمالی سوزن قطب نما در یک نقطه معین قرار گرفته است، یعنی مماس بر خط میدان در جهت این خط. القای مغناطیسی در اندازه گیری می شود تسلا(TL).

همانطور که در مورد میدان الکتریکی، برای القای میدان مغناطیسی موارد زیر اعمال می شود: اصل برهم نهی. در این واقعیت نهفته است که القای میدان های مغناطیسی ایجاد شده در یک نقطه معین توسط جریان های مختلف به صورت برداری جمع می شوند و بردار حاصل از القای مغناطیسی را به دست می دهند:.

میدان مغناطیسی یک سیم پیچ با جریان

یک سیم پیچ دایره ای را در نظر بگیرید که جریان مستقیم از آن عبور می کند. منبعی که جریان را ایجاد می کند را در شکل نشان نمی دهیم.

تصویر خطوط میدان مدار ما تقریباً به صورت زیر خواهد بود (شکل 4).

برنج. 4. میدان یک سیم پیچ با جریان

برای ما مهم است که بتوانیم تعیین کنیم که میدان مغناطیسی به کدام نیمه فضا (نسبت به صفحه سیم پیچ) هدایت می شود. باز هم دو قانون جایگزین داریم.

قانون عقربه های ساعت. خطوط میدان به آنجا می روند و از جایی که به نظر می رسد جریان در خلاف جهت عقربه های ساعت در گردش است نگاه می کنند.

قانون پیچ. خطوط میدان به جایی می روند که پیچ (با یک رزوه معمولی سمت راست) در صورت چرخش در جهت جریان حرکت می کند..

همانطور که می بینید، جریان و میدان نقش تغییر می کنند - در مقایسه با فرمول بندی این قوانین برای مورد جریان مستقیم.

میدان مغناطیسی یک سیم پیچ جریان

کویلاگر سیم را محکم بپیچید و بچرخانید و به یک مارپیچ به اندازه کافی بلند بپیچید، کار خواهد کرد (شکل 5 - تصویر از en.wikipedia.org). سیم پیچ ممکن است چندین ده، صدها یا حتی هزاران چرخش داشته باشد. سیم پیچ نیز نامیده می شود شیر برقی.

برنج. 5. کویل (سلونوئید)

همانطور که می دانیم میدان مغناطیسی یک چرخش خیلی ساده به نظر نمی رسد. زمینه های؟ چرخش های فردی سیم پیچ بر روی یکدیگر قرار می گیرند و به نظر می رسد که نتیجه باید یک تصویر بسیار گیج کننده باشد. با این حال، این چنین نیست: میدان یک سیم پیچ بلند ساختاری غیر منتظره ساده دارد (شکل 6).

برنج. 6. میدان سیم پیچ فعلی

در این شکل، جریان در سیم پیچ هنگام مشاهده از سمت چپ در خلاف جهت عقربه های ساعت جریان می یابد (این اتفاق می افتد اگر در شکل 5، انتهای سمت راست سیم پیچ به "پلاس" منبع جریان و انتهای سمت چپ به "" وصل شود. منهای"). می بینیم که میدان مغناطیسی سیم پیچ دو ویژگی مشخص دارد.

1. در داخل سیم پیچ، دور از لبه های آن، میدان مغناطیسی است همگن: در هر نقطه بردار القای مغناطیسی از نظر قدر و جهت یکسان است. خطوط میدانی خطوط مستقیم موازی هستند. وقتی بیرون می آیند فقط نزدیک لبه های سیم پیچ خم می شوند.

2. خارج از سیم پیچ میدان نزدیک به صفر است. هر چه تعداد دور سیم پیچ بیشتر باشد، میدان خارج از آن ضعیف تر است.

توجه داشته باشید که یک سیم پیچ بی نهایت طول به هیچ وجه میدان را به بیرون آزاد نمی کند: هیچ میدان مغناطیسی خارج از سیم پیچ وجود ندارد. در داخل چنین سیم پیچی، میدان همه جا یکنواخت است.

شما را به یاد چیزی نمی اندازد؟ سیم پیچ آنالوگ "مغناطیسی" یک خازن است. شما به یاد داشته باشید که یک خازن یک همگن ایجاد می کند میدان الکتریکیخطوطی که فقط در نزدیکی لبه های صفحات خم می شوند و میدان خارج از خازن نزدیک به صفر است. خازن با صفحات بی نهایت به هیچ وجه میدان را به بیرون آزاد نمی کند و میدان در همه جای آن یکنواخت است.

و اکنون - مشاهده اصلی. لطفاً تصویر خطوط میدان مغناطیسی خارج از سیم پیچ (شکل 6) را با خطوط میدان مغناطیسی در شکل مقایسه کنید. 1 . این همان چیزی است، اینطور نیست؟ و اکنون به سؤالی می رسیم که احتمالاً مدتهاست در ذهن شما ایجاد شده است: اگر میدان مغناطیسی توسط جریان ها ایجاد می شود و بر روی جریان ها تأثیر می گذارد، پس دلیل ظاهر شدن یک میدان مغناطیسی در نزدیکی آهنربای دائمی چیست؟ بالاخره این آهنربا به نظر نمی رسد که رسانایی با جریان باشد!

فرضیه آمپر جریان های ابتدایی

در ابتدا تصور می شد که برهمکنش آهنرباها با بارهای مغناطیسی خاصی که در قطب ها متمرکز شده اند توضیح داده می شود. اما، برخلاف الکتریسیته، هیچ کس نمی تواند بار مغناطیسی را جدا کند. از این گذشته ، همانطور که قبلاً گفتیم ، نمی توان قطب شمال و جنوب آهنربا را به طور جداگانه بدست آورد - قطب ها همیشه در یک آهنربا به صورت جفت وجود دارند.

شک در مورد بارهای مغناطیسی با آزمایش اورستد تشدید شد، زمانی که معلوم شد که میدان مغناطیسی توسط جریان الکتریکی ایجاد می شود. علاوه بر این، مشخص شد که برای هر آهنربایی می توان رسانایی با جریانی با پیکربندی مناسب انتخاب کرد، به طوری که میدان این هادی با میدان آهنربا منطبق باشد.

آمپر یک فرضیه جسورانه را مطرح کرد. هیچ بار مغناطیسی وجود ندارد. عمل یک آهنربا با جریان های الکتریکی بسته در داخل آن توضیح داده می شود.

این جریانات چیست؟ اینها جریان های ابتداییگردش در داخل اتم ها و مولکول ها؛ آنها با حرکت الکترون ها در امتداد مدارهای اتمی مرتبط هستند. میدان مغناطیسی هر جسمی از میدان های مغناطیسی این جریان های ابتدایی تشکیل شده است.

جریان های اولیه را می توان به طور تصادفی نسبت به یکدیگر قرار داد. سپس میدان های آنها متقابلاً لغو می شود و بدن خواص مغناطیسی از خود نشان نمی دهد.

اما اگر جریان های ابتدایی به صورت هماهنگ چیده شوند، میدان های آنها با جمع شدن، یکدیگر را تقویت می کنند. بدن به یک آهنربا تبدیل می شود (شکل 7؛ میدان مغناطیسی به سمت ما هدایت می شود؛ قطب شمال آهنربا نیز به سمت ما هدایت می شود).

برنج. 7. جریان آهنربای اولیه

فرضیه آمپر در مورد جریان های ابتدایی خواص آهنرباها را روشن کرد گرما و تکان دادن آهنربا نظم جریان های ابتدایی آن را از بین می برد و خواص مغناطیسی ضعیف می شود. تفکیک ناپذیری قطب های آهنربا آشکار شده است: در نقطه ای که آهنربا بریده می شود، همان جریان های ابتدایی را در انتها دریافت می کنیم. توانایی یک جسم برای مغناطیسی شدن در یک میدان مغناطیسی با تراز هماهنگ جریان های ابتدایی که به درستی "چرخش" هستند توضیح داده می شود (در مورد چرخش یک جریان دایره ای در یک میدان مغناطیسی در صفحه بعدی بخوانید).

فرضیه آمپر درست بود - این نشان داد پیشرفتهای بعدیفیزیک. ایده های مربوط به جریان های ابتدایی به بخشی جدایی ناپذیر از نظریه اتم تبدیل شد که در قرن بیستم توسعه یافت - تقریباً صد سال پس از حدس درخشان آمپر.

بدون شک خطوط میدان مغناطیسی اکنون برای همه شناخته شده است. حداقل در مدرسه، تجلی آنها در درس های فیزیک نشان داده می شود. به یاد داشته باشید که چگونه معلم یک آهنربای دائمی (یا حتی دو تا که جهت قطب های آنها را با هم ترکیب می کرد) زیر یک ورق کاغذ قرار داد و در بالای آن براده های فلزی را که از کلاس درس کارآموزی گرفته شده بود ریخت؟ کاملاً واضح است که فلز باید روی ورق نگه داشته شود ، اما چیز عجیبی مشاهده شد - خطوطی که خاک اره در امتداد آنها ردیف شده بود به وضوح قابل مشاهده بود. لطفا توجه داشته باشید - نه به طور مساوی، بلکه به صورت راه راه. اینها خطوط میدان مغناطیسی هستند. یا بهتر بگوییم تجلی آنها. چه اتفاقی افتاد و چگونه می توان آن را توضیح داد؟

بیایید از راه دور شروع کنیم. با ما در دنیای فیزیکی مرئی همزیستی دارد نوع خاصماده - میدان مغناطیسی برهمکنش ذرات بنیادی متحرک یا اجسام بزرگتر را که دارای بار الکتریکی یا بار الکتریکی طبیعی هستند و نه تنها با یکدیگر مرتبط هستند، بلکه اغلب خود را تولید می کنند، تضمین می کند. به عنوان مثال، سیمی که جریان الکتریکی از آن عبور می کند، خطوط میدان مغناطیسی را در اطراف خود ایجاد می کند. عکس آن نیز صادق است: اثر میدان های مغناطیسی متناوب بر روی یک مدار رسانای بسته، حرکت حامل های بار را در آن ایجاد می کند. ویژگی دوم در ژنراتورهایی که انرژی الکتریکی را برای همه مصرف کنندگان تامین می کنند استفاده می شود. یک مثال قابل توجهمیدان های الکترومغناطیسی - نور.

خطوط میدان مغناطیسی در اطراف رسانا می چرخند یا، که این نیز درست است، با یک بردار جهت دار القای مغناطیسی مشخص می شوند. جهت چرخش توسط قانون گیملت تعیین می شود. خطوط مشخص شده یک قرارداد هستند، زیرا میدان در همه جهات به طور مساوی گسترش می یابد. نکته این است که می توان آن را به صورت بی نهایت خط نشان داد که برخی از آنها کشش برجسته تری دارند. به همین دلیل است که "خطوط" خاصی در خاک اره به وضوح قابل مشاهده است. جالب اینجاست که خطوط میدان مغناطیسی هرگز قطع نمی‌شوند، بنابراین نمی‌توان بدون ابهام گفت که ابتدا کجاست و کجا پایان.

در مورد آهنربای دائمی (یا آهنربای الکتریکی مشابه)، همیشه دو قطب وجود دارد که معمولاً به آنها شمال و جنوب می‌گویند. خطوط ذکر شده در این مورد حلقه ها و بیضی هایی هستند که هر دو قطب را به هم متصل می کنند. گاهی اوقات این را در قالب تک قطبی های متقابل توصیف می کنند، اما پس از آن تضادی ایجاد می شود که بر اساس آن نمی توان تک قطبی ها را از هم جدا کرد. یعنی هر تلاشی برای تقسیم آهنربا منجر به پیدایش چندین قسمت دوقطبی می شود.

خواص خطوط میدان بسیار مورد توجه است. ما قبلاً در مورد تداوم صحبت کرده ایم، اما مورد علاقه عملی توانایی ایجاد جریان الکتریکی در یک هادی است. معنای آن به شرح زیر است: اگر خطوط رسانا با خطوط عبور کند (یا خود رسانا در یک میدان مغناطیسی حرکت کند)، انرژی اضافی به الکترون‌ها در مدارهای بیرونی اتم‌های ماده داده می‌شود و به آنها اجازه می‌دهد تا حرکت هدایت شده مستقل را آغاز کنید. می توان گفت که میدان مغناطیسی به نظر می رسد ذرات باردار را از بین می برد شبکه کریستالی. این پدیده نامیده می شود القای الکترومغناطیسیو در حال حاضر راه اصلی برای به دست آوردن اولیه است انرژی الکتریکی. در سال 1831 توسط فیزیکدان انگلیسی مایکل فارادی کشف شد.

مطالعه میدان های مغناطیسی در سال 1269 آغاز شد، زمانی که P. Peregrinus برهمکنش یک آهنربای کروی با سوزن های فولادی را کشف کرد. تقریباً 300 سال بعد، W. G. Colchester پیشنهاد کرد که خودش یک آهنربای بزرگ با دو قطب است. علاوه بر این، پدیده های مغناطیسی توسط دانشمندان مشهوری مانند لورنتس، ماکسول، آمپر، اینشتین و غیره مورد مطالعه قرار گرفت.

بیایید با هم بفهمیم میدان مغناطیسی چیست. به هر حال، بسیاری از مردم تمام عمر خود را در این زمینه زندگی می کنند و حتی به آن فکر نمی کنند. وقت آن است که آن را درست کنید!

یک میدان مغناطیسی

یک میدان مغناطیسی- نوع خاصی از ماده. این خود را در عمل بر روی بارهای الکتریکی متحرک و اجسامی که دارای گشتاور مغناطیسی خاص خود هستند نشان می دهد. آهنرباهای دائمی).

مهم: میدان مغناطیسی بر بارهای ثابت تأثیر نمی گذارد! میدان مغناطیسی نیز با حرکت بارهای الکتریکی یا میدان الکتریکی متغیر با زمان یا گشتاورهای مغناطیسی الکترون ها در اتم ها ایجاد می شود. یعنی هر سیمی که جریان از آن عبور کند آهنربا هم می شود!

جسمی که میدان مغناطیسی خاص خود را دارد.

آهنربا دارای قطب هایی به نام شمال و جنوب است. عناوین "شمال" و "جنوب" فقط برای راحتی داده شده اند (مانند "به علاوه" و "منهای" در برق).

میدان مغناطیسی با نشان داده می شود خطوط برق مغناطیسی. خطوط نیرو پیوسته و بسته هستند و جهت آنها همیشه با جهت عمل نیروهای میدانی منطبق است. اگر براده های فلزی در اطراف آهنربای دائمی پراکنده شوند، ذرات فلز تصویر واضحی از خطوط میدان مغناطیسی که از قطب شمال خارج شده و وارد قطب جنوب می شوند را نشان می دهند. ویژگی گرافیکی یک میدان مغناطیسی - خطوط نیرو.

ویژگی های میدان مغناطیسی

ویژگی های اصلی میدان مغناطیسی عبارتند از القای مغناطیسی, شار مغناطیسیو نفوذپذیری مغناطیسی. اما بیایید در مورد همه چیز به ترتیب صحبت کنیم.

اجازه دهید بلافاصله توجه داشته باشیم که تمام واحدهای اندازه گیری در سیستم داده شده است SI.

القای مغناطیسی ب – بردار کمیت فیزیکیکه نیروی اصلی مشخصه میدان مغناطیسی است. با حرف مشخص شده است ب . واحد اندازه گیری القای مغناطیسی - تسلا (T).

القای مغناطیسی با تعیین نیرویی که بر یک بار وارد می کند، نشان می دهد که میدان چقدر قوی است. این نیرو نامیده می شود نیروی لورنتس.

اینجا q - شارژ، v - سرعت آن در میدان مغناطیسی، ب - القاء، اف - نیروی لورنتس که میدان با آن بر روی بار عمل می کند.

اف- کمیت فیزیکی برابر حاصلضرب القای مغناطیسی توسط مساحت مدار و کسینوس بین بردار القاء و نرمال به صفحه مداری که شار از آن عبور می کند. شار مغناطیسی یک مشخصه اسکالر میدان مغناطیسی است.

می توان گفت که شار مغناطیسی تعداد خطوط القای مغناطیسی را مشخص می کند که در یک واحد سطح نفوذ می کنند. شار مغناطیسی در اندازه گیری می شود Weberach (Wb).

نفوذپذیری مغناطیسی- ضریب تعیین کننده خواص مغناطیسی محیط. یکی از پارامترهایی که القای مغناطیسی میدان به آن بستگی دارد نفوذپذیری مغناطیسی است.

سیاره ما برای چندین میلیارد سال یک آهنربای بزرگ بوده است. القای میدان مغناطیسی زمین بسته به مختصات متفاوت است. در خط استوا تقریباً 3.1 ضربدر 10 به منهای توان پنجم تسلا است. علاوه بر این، ناهنجاری های مغناطیسی وجود دارد که در آن مقدار و جهت میدان به طور قابل توجهی با مناطق همسایه متفاوت است. برخی از بزرگترین ناهنجاری های مغناطیسی در این سیاره - کورسکو ناهنجاری های مغناطیسی برزیل.

منشا میدان مغناطیسی زمین هنوز برای دانشمندان یک راز باقی مانده است. فرض بر این است که منبع میدان، هسته فلزی مایع زمین است. هسته در حال حرکت است، به این معنی که آلیاژ آهن و نیکل مذاب در حال حرکت است و حرکت ذرات باردار جریان الکتریکی است که میدان مغناطیسی را ایجاد می کند. مشکل اینجاست که این نظریه ( ژئودینامو) توضیح نمی دهد که چگونه فیلد ثابت نگه داشته می شود.

زمین یک دوقطبی مغناطیسی عظیم است.قطب های مغناطیسی با قطب های جغرافیایی منطبق نیستند، اگرچه در مجاورت یکدیگر قرار دارند. علاوه بر این، قطب های مغناطیسی زمین حرکت می کنند. جابجایی آنها از سال 1885 ثبت شده است. به عنوان مثال، در طول صد سال گذشته، قطب مغناطیسی در نیمکره جنوبی تقریباً 900 کیلومتر جابجا شده است و اکنون در اقیانوس جنوبی قرار دارد. قطب نیمکره قطب شمال در حال حرکت از طریق اقیانوس منجمد شمالی به سمت ناهنجاری مغناطیسی سیبری شرقی است؛ سرعت حرکت آن (طبق داده های سال 2004) حدود 60 کیلومتر در سال بود. اکنون شتاب حرکت قطب ها وجود دارد - به طور متوسط ​​سرعت 3 کیلومتر در سال در حال افزایش است.

میدان مغناطیسی زمین برای ما چه اهمیتی دارد؟اول از همه، میدان مغناطیسی زمین از سیاره در برابر پرتوهای کیهانی و باد خورشیدی محافظت می کند. ذرات باردار از اعماق فضا مستقیماً به زمین نمی افتند، بلکه توسط یک آهنربای غول پیکر منحرف می شوند و در امتداد خطوط نیروی آن حرکت می کنند. بنابراین، همه موجودات زنده از تشعشعات مضر محافظت می شوند.

چندین رویداد در طول تاریخ زمین رخ داده است. وارونگی ها(تغییرات) قطب های مغناطیسی. وارونگی قطب- این زمانی است که آنها مکان خود را تغییر می دهند. آخرین باری که این پدیده رخ داده حدود 800 هزار سال پیش بوده و در مجموع بیش از 400 وارونگی ژئومغناطیسی در تاریخ زمین رخ داده است.برخی از دانشمندان معتقدند با توجه به شتاب مشاهده شده حرکت قطب های مغناطیسی، قطب بعدی باید انتظار وارونگی در چند هزار سال آینده را داشت.

خوشبختانه در قرن ما هنوز تغییر قطب انتظار نمی رود. این بدان معنی است که شما می توانید با در نظر گرفتن ویژگی ها و ویژگی های اصلی میدان مغناطیسی به چیزهای خوشایند فکر کنید و از زندگی در میدان ثابت خوب قدیمی زمین لذت ببرید. و برای اینکه بتوانید این کار را انجام دهید، نویسندگان ما هستند که می توانید با اطمینان بخشی از مشکلات آموزشی را با اطمینان به آنها بسپارید! و انواع کارهای دیگر که می توانید با استفاده از لینک سفارش دهید.

یک میدان مغناطیسی مبانی کنترل فلوژ

ما در میدان مغناطیسی زمین زندگی می کنیم. یکی از مظاهر میدان مغناطیسی این است که سوزن قطب نما مغناطیسی دائماً به سمت شمال می رود. همین نتیجه را می توان با قرار دادن سوزن قطب نما مغناطیسی بین قطب های آهنربای دائمی به دست آورد (شکل 34).

شکل 34 - جهت گیری سوزن مغناطیسی در نزدیکی قطب های آهنربا

معمولاً یکی از قطب های آهنربا (جنوب) با حرف مشخص می شود اس، دیگر - (شمالی) - حرف ن. شکل 34 دو موقعیت سوزن مغناطیسی را نشان می دهد. در هر موقعیت، قطب های مخالف فلش و آهنربا یکدیگر را جذب می کنند. بنابراین جهت سوزن قطب نما به محض اینکه آن را از موقعیت خود حرکت دادیم تغییر کرد 1 به موقعیت 2 . دلیل جذب آهنربا و چرخش فلش میدان مغناطیسی است. چرخش فلش هنگام حرکت به سمت بالا و سمت راست نشان می دهد که جهت میدان مغناطیسی در نقاط مختلف فضا بدون تغییر باقی نمی ماند.

شکل 35 نتیجه آزمایشی با پودر مغناطیسی ریخته شده روی یک ورق کاغذ ضخیم را نشان می دهد که در بالای قطب های آهنربا قرار دارد. مشاهده می شود که ذرات پودر خطوطی را تشکیل می دهند.

ذرات پودری که وارد میدان مغناطیسی می شوند مغناطیسی می شوند. هر ذره دارای یک قطب شمال و جنوب است. ذرات پودری که در نزدیکی آن قرار دارند نه تنها در میدان مغناطیسی می چرخند، بلکه به یکدیگر می چسبند و در خطوطی قرار می گیرند. این خطوط معمولاً خطوط میدان مغناطیسی نامیده می شوند.

شکل 35 چیدمان ذرات پودر مغناطیسی بر روی یک ورق کاغذ واقع در بالای قطب های آهنربا

با قرار دادن یک سوزن مغناطیسی در نزدیکی چنین خطی متوجه می شوید که سوزن به صورت مماس قرار گرفته است. در اعداد 1 , 2 , 3 شکل 35 جهت سوزن مغناطیسی را در نقاط مربوطه نشان می دهد. در نزدیکی قطب ها، چگالی پودر مغناطیسی بیشتر از سایر نقاط روی ورق است. این بدان معنی است که بزرگی میدان مغناطیسی در آنجا دارای حداکثر مقدار است. بنابراین، میدان مغناطیسی در هر نقطه با مقدار کمیت مشخص کننده میدان مغناطیسی و جهت آن تعیین می شود. چنین کمیت ها را معمولا بردار می نامند.

اجازه دهید قسمت فولادی را بین قطب های آهنربا قرار دهیم (شکل 36). جهت خطوط برق در قطعه با فلش نشان داده شده است. خطوط میدان مغناطیسی نیز در قسمت ظاهر می شوند، فقط تعداد آنها بسیار بیشتر از هوا خواهد بود.

شکل 36 مغناطیس کردن یک قسمت ساده

واقعیت این است که بخش فولادی حاوی آهن است که از ریزمغناطیس هایی به نام دامنه تشکیل شده است. اعمال میدان مغناطیسی به قسمتی منجر به این می شود که آنها شروع به جهت گیری در جهت این میدان کرده و بارها آن را تقویت می کنند. می توان دید که خطوط میدان در قسمت موازی با یکدیگر هستند در حالی که میدان مغناطیسی ثابت است. میدان مغناطیسی را که با خطوط موازی مستقیم نیرو با چگالی یکسان مشخص می شود، یکنواخت می گویند.

10.2 کمیت های مغناطیسی

مهمترین کمیت فیزیکی که میدان مغناطیسی را مشخص می کند، بردار القای مغناطیسی است که معمولاً نشان داده می شود. که در. برای هر کمیت فیزیکی مرسوم است که بعد آن مشخص شود. بنابراین، واحد جریان آمپر (A) و واحد القای مغناطیسی تسلا (T) است. القای مغناطیسی در قطعات مغناطیسی معمولاً در محدوده 0.1 تا 2.0 تسلا قرار دارد.

یک سوزن مغناطیسی که در یک میدان مغناطیسی یکنواخت قرار می گیرد، می چرخد. گشتاور نیرویی که آن را به دور محور خود می چرخاند با القای مغناطیسی متناسب است. القای مغناطیسی همچنین درجه مغناطیسی یک ماده را مشخص می کند. خطوط نیروی نشان داده شده در شکل های 34، 35 تغییر در القای مغناطیسی در هوا و مواد (قطعات) را مشخص می کند.

القای مغناطیسی میدان مغناطیسی را در هر نقطه از فضا تعیین می کند. برای مشخص کردن میدان مغناطیسی در یک سطح (مثلاً در سطح مقطع یک قطعه) از کمیت فیزیکی دیگری استفاده می شود که به آن شار مغناطیسی می گویند و نشان داده می شود. Φ.

اجازه دهید یک قطعه مغناطیسی یکنواخت (شکل 36) با مقدار القای مغناطیسی مشخص شود که در، سطح مقطع قطعه برابر است با اس، سپس شار مغناطیسی با فرمول تعیین می شود:

واحد شار مغناطیسی وبر (Wb) است.

بیایید به یک مثال نگاه کنیم. القای مغناطیسی در قطعه 0.2 T، سطح مقطع 0.01 متر مربع است. سپس شار مغناطیسی 0.002 وات است.

اجازه دهید یک میله آهنی استوانه ای بلند را در یک میدان مغناطیسی یکنواخت قرار دهیم. اجازه دهید محور تقارن میله با جهت خطوط نیرو منطبق باشد. سپس میله تقریباً در همه جا به طور یکنواخت مغناطیسی می شود. القای مغناطیسی در میله بسیار بیشتر از هوا خواهد بود. نسبت القای مغناطیسی در یک ماده B mالقای مغناطیسی در هوا در درنفوذپذیری مغناطیسی نامیده می شود:

μ=B m / B in. (10.2)

نفوذپذیری مغناطیسی یک کمیت بدون بعد است. برای درجات مختلف فولاد، نفوذپذیری مغناطیسی از 200 تا 5000 متغیر است.

القای مغناطیسی به خواص ماده بستگی دارد که محاسبات فنی فرآیندهای مغناطیسی را پیچیده می کند. بنابراین، یک کمیت کمکی معرفی شد که به خواص مغناطیسی ماده بستگی ندارد. بردار شدت میدان مغناطیسی نامیده می شود و نشان داده می شود اچ. واحد شدت میدان مغناطیسی آمپر/متر (A/m) است. در طول آزمایش مغناطیسی غیر مخرب قطعات، قدرت میدان مغناطیسی از 100 تا 100000 A/m متغیر است.

بین القای مغناطیسی در درو قدرت میدان مغناطیسی نیک رابطه ساده در هوا وجود دارد:

V در =μ 0 H، (10.3)

جایی که μ 0 = 4π 10-7 هانری / متر - ثابت مغناطیسی.

قدرت میدان مغناطیسی و القای مغناطیسی در ماده با این رابطه با یکدیگر مرتبط هستند:

B=μμ 0 H (10.4)

قدرت میدان مغناطیسی ن - بردار زمانی که تست فلاکس گیت نیاز به تعیین اجزای این بردار در سطح قطعه دارد. این اجزا را می توان با استفاده از شکل 37 تعیین کرد. در اینجا سطح قطعه به عنوان یک صفحه در نظر گرفته می شود xy، محور zعمود بر این صفحه

در شکل 1.4 از راس بردار اچ یک عمود بر روی یک صفحه انداخته می شود x، y. بردار از مبدأ مختصات به نقطه تقاطع عمود و صفحه رسم می شود. اچ  که جزء مماسی شدت میدان مغناطیسی بردار نامیده می شود. اچ . انداختن عمودها از راس بردار H در محور ایکسو y، پیش بینی ها را تعریف می کنیم Hxو H yبردار اچ. فرافکنی اچ در هر محور zجزء نرمال قدرت میدان مغناطیسی نامیده می شود Hn . در طول آزمایش مغناطیسی، مولفه های مماسی و نرمال قدرت میدان مغناطیسی اغلب اندازه گیری می شوند.

شکل 37 بردار قدرت میدان مغناطیسی و برآمدگی آن بر روی سطح قطعه

10.3 منحنی مغناطیسی و حلقه پسماند

اجازه دهید تغییر در القای مغناطیسی یک ماده فرومغناطیسی در ابتدا مغناطیسی زدایی شده با افزایش تدریجی قدرت میدان مغناطیسی خارجی را در نظر بگیریم. نموداری که این وابستگی را منعکس می کند در شکل 38 نشان داده شده است و منحنی مغناطیسی اولیه نامیده می شود. در ناحیه میدان های مغناطیسی ضعیف، شیب این منحنی نسبتاً کم است و سپس شروع به افزایش می کند و به حداکثر مقدار می رسد. در مقادیر حتی بالاتر از شدت میدان مغناطیسی، شیب کاهش می یابد به طوری که تغییر در القای مغناطیسی با افزایش میدان ناچیز می شود - اشباع مغناطیسی رخ می دهد، که با بزرگی مشخص می شود. لیسانس. شکل 39 وابستگی نفوذپذیری مغناطیسی به قدرت میدان مغناطیسی را نشان می دهد. این وابستگی با دو مقدار مشخص می شود: μn اولیه و حداکثر نفوذپذیری مغناطیسی μm. در ناحیه میدان های مغناطیسی قوی، نفوذپذیری با افزایش میدان کاهش می یابد. با افزایش بیشتر میدان مغناطیسی خارجی، مغناطیسی نمونه عملاً بدون تغییر باقی می‌ماند و القای مغناطیسی تنها به دلیل میدان خارجی افزایش می‌یابد. .

شکل 38 منحنی مغناطیسی اولیه

شکل 39 وابستگی نفوذپذیری به قدرت میدان مغناطیسی

اشباع القای مغناطیسی لیسانسبه طور عمده بستگی دارد ترکیب شیمیاییمواد برای فولادهای ساختاری و الکتریکی 1.6-2.1 T است. نفوذپذیری مغناطیسی نه تنها به ترکیب شیمیایی، بلکه به عملیات حرارتی و مکانیکی نیز بستگی دارد.

.

شکل 40 حلقه های هیسترزیس محدود (1) و جزئی (2).

بر اساس مقدار نیروی اجباری، مواد مغناطیسی به مواد مغناطیسی نرم (Hc) تقسیم می شوند.< 5 000 А/м) и магнитотвердые (H c >5000 A/m).

مواد مغناطیسی نرم برای رسیدن به اشباع به میدان های نسبتا کم نیاز دارند. مواد مغناطیسی سخت به سختی می توانند مغناطیسی شوند و دوباره مغناطیس شوند.

بیشتر فولادهای ساختاری مواد مغناطیسی نرم هستند. برای فولاد الکتریکی و آلیاژهای خاص، نیروی اجباری 1-100 A / m است، برای فولادهای ساختاری - بیش از 5000 A / m. اتصالات آهنربای دائمی از مواد مغناطیسی سخت استفاده می کنند.

در طول برگشت مغناطیسی، ماده دوباره اشباع می شود، اما مقدار القاء علامت متفاوتی دارد (- لیسانس) مربوط به قدرت میدان مغناطیسی منفی است. با افزایش بعدی در قدرت میدان مغناطیسی به سمت مقادیر مثبت، القاء در امتداد منحنی دیگری تغییر می کند که شاخه صعودی حلقه نامیده می شود. هر دو شاخه: نزولی و صعودی، منحنی بسته ای را تشکیل می دهند که حلقه حدی پسماند مغناطیسی نامیده می شود. حلقه حد دارای شکل متقارن است و مطابق با حداکثر مقدارالقای مغناطیسی برابر است لیسانس. با تغییر متقارن در قدرت میدان مغناطیسی در محدوده های کوچکتر، القاء در طول یک حلقه جدید تغییر می کند. این حلقه به طور کامل در داخل حلقه حد قرار دارد و به آن حلقه جزئی متقارن می گویند (شکل 40).

پارامترهای حلقه پسماند مغناطیسی محدود کننده بازی می کنند نقش مهمبا کنترل فلاکس گیت در ارزش های بالاالقای باقیمانده و نیروی اجباری را می توان با پیش مغناطیسی کردن مواد قطعه تا زمان اشباع و سپس خاموش کردن منبع میدان کنترل کرد. مغناطیس شدن قطعه برای تشخیص عیوب کافی خواهد بود.

در عین حال، پدیده هیسترزیس منجر به نیاز به کنترل حالت مغناطیسی می شود. در صورت عدم وجود مغناطیس زدایی، ممکن است ماده قطعه در حالتی مطابق با القاء باشد - B r.سپس، برای مثال، یک میدان مغناطیسی با قطبیت مثبت را روشن کنید، برابر با Hcحتی می‌توانیم قطعه را مغناطیسی‌زدایی کنیم، اگرچه قرار است آن را مغناطیسی کنیم.

مهمهمچنین دارای نفوذپذیری مغناطیسی است. بیشتر μ ، مقدار لازم از شدت میدان مغناطیسی برای مغناطیس کردن قطعه کمتر می شود. بنابراین، پارامترهای فنی دستگاه مغناطیسی باید با پارامترهای مغناطیسی جسم مورد آزمایش مطابقت داشته باشد.

10.4 میدان مغناطیسی پراکندگی نقص

میدان مغناطیسی یک قطعه معیوب ویژگی های خاص خود را دارد. بیایید یک حلقه فولادی مغناطیسی (قسمتی) با یک شکاف باریک برداریم. این شکاف را می توان به عنوان نقص در قطعه در نظر گرفت. اگر حلقه را با ورق کاغذی که با پودر مغناطیسی پاشیده شده است بپوشانید، می توانید تصویری مشابه آنچه در شکل 35 نشان داده شده است مشاهده کنید. ورق کاغذ در خارج از حلقه قرار دارد و در همین حین ذرات پودر در امتداد خطوط خاصی قرار می گیرند. بنابراین، خطوط میدان مغناطیسی تا حدی از خارج قطعه عبور می کنند و در اطراف نقص جریان می یابند. این قسمت از میدان مغناطیسی میدان نشت نقص نامیده می شود.

شکل 41 یک شکاف طولانی در قطعه را نشان می دهد که عمود بر خطوط میدان مغناطیسی قرار دارد و الگویی از خطوط میدان در نزدیکی نقص.

شکل 41 جریان خطوط نیرو در اطراف یک ترک سطحی

مشاهده می شود که خطوط میدان مغناطیسی در اطراف ترک در داخل و خارج قطعه جریان دارند. شکل گیری یک میدان مغناطیسی سرگردان توسط یک نقص زیرسطحی را می توان با استفاده از شکل 42 توضیح داد که بخشی از یک قسمت مغناطیسی شده را نشان می دهد. خطوط نیروی القایی مغناطیسی متعلق به یکی از سه بخش مقطع است: بالای نقص، در ناحیه نقص و زیر نقص. حاصلضرب القای مغناطیسی و سطح مقطع، شار مغناطیسی را تعیین می کند. اجزای شار مغناطیسی کل در این بخش ها به عنوان تعیین می شوند Φ 1,..,بخشی از شار مغناطیسی F 2، در بالا و پایین بخش جریان می یابد S 2. بنابراین، شار مغناطیسی در مقاطع S 1و S 3بزرگتر از قطعه بدون عیب خواهد بود. همین را می توان در مورد القای مغناطیسی نیز گفت. یکی دیگر ویژگی مهمخطوط نیروی القایی مغناطیسی انحنای آنها در بالا و پایین نقص است. در نتیجه بخشی از خطوط میدان از قسمت خارج می شود و میدان پراکندگی مغناطیسی نقص را ایجاد می کند.

3 .

شکل 42 میدان پراکندگی یک نقص زیرسطحی

میدان مغناطیسی نشتی را می توان با شار مغناطیسی خروجی از قطعه تعیین کرد که به آن شار نشتی می گویند. هر چه شار مغناطیسی بیشتر باشد، شار مغناطیسی نشتی بیشتر است Φ 2در مقطع S 2. سطح مقطع S 2متناسب با کسینوس زاویه  , در شکل 42 نشان داده شده است. در  = 90 درجه این ناحیه صفر است، در  =0° از همه مهمتر است

بنابراین، برای شناسایی عیوب، لازم است خطوط القای مغناطیسی در ناحیه بازرسی قطعه، عمود بر صفحه نقص مشکوک باشد.

توزیع شار مغناطیسی بر روی سطح مقطع یک قطعه معیوب مشابه توزیع جریان آب در یک کانال با مانع است. ارتفاع موج در ناحیه یک مانع کاملاً غوطه ور بیشتر خواهد بود، هر چه تاج مانع به سطح آب نزدیکتر باشد. به طور مشابه، یک نقص زیرسطحی در یک قطعه آسان تر است، هر چه عمق وقوع آن کمتر باشد.

10.5 تشخیص عیب

برای تشخیص عیوب، دستگاهی مورد نیاز است که به فرد امکان می دهد ویژگی های میدان پراکندگی نقص را تعیین کند. این میدان مغناطیسی را می توان با اجزای آن تعیین کرد N x، N y، N z.

با این حال، میدان های سرگردان می تواند نه تنها توسط یک نقص، بلکه همچنین توسط عوامل دیگر ایجاد شود: ناهمگنی ساختاری فلز، تغییر شدید در مقطع (به تفصیل). شکل پیچیده), ماشینکاری، ضربه ها، زبری سطح، و غیره. بنابراین، تجزیه و تحلیل وابستگی حتی یک طرح ریزی (به عنوان مثال، هرتز) از مختصات مکانی ( ایکسیا y) می تواند یک کار چالش برانگیز باشد.

بیایید میدان مغناطیسی نزدیک به نقص را در نظر بگیریم (شکل 43). در اینجا یک ترک ایده آل بی نهایت طولانی با لبه های صاف نشان داده شده است. در امتداد محور کشیده شده است y، که در شکل به سمت ما هدایت شده است. اعداد 1، 2، 3، 4 نشان می دهد که چگونه بزرگی و جهت بردار قدرت میدان مغناطیسی با نزدیک شدن به ترک از سمت چپ تغییر می کند.

شکل 43 میدان مغناطیسی سرگردان نزدیک یک نقص

میدان مغناطیسی در فاصله معینی از سطح قطعه اندازه گیری می شود. مسیری که اندازه گیری ها در امتداد آن انجام می شود با یک خط نقطه چین نشان داده شده است. قدر و جهت بردارهای سمت راست ترک را می توان به روشی مشابه ساخت (یا از تقارن شکل استفاده کرد). در سمت راست تصویر میدان پراکندگی نمونه ای از موقعیت مکانی بردار است اچ و دو جزء آن Hx و هرتز . نمودارهای وابستگی پروجکشن Hxو هرتزپراکندگی میدان ها از مختصات ایکسدر ذیل نشان داده شده است.

به نظر می رسد که با جستجوی منتهی الیه H x یا صفر Hz می توان نقصی پیدا کرد. اما همانطور که در بالا ذکر شد، میدان های سرگردان نه تنها از نقص، بلکه از ناهمگونی های ساختاری فلز، از آثار تاثیرات مکانیکی و غیره نیز تشکیل می شوند.

بیایید یک تصویر ساده از شکل گیری میدان های سرگردان در یک قسمت ساده (شکل 44) مشابه آنچه در شکل 41 نشان داده شده است، و نمودارهای وابستگی های طرح ریزی شده در نظر بگیریم. H z، H xاز مختصات ایکس(عیب در امتداد محور کشیده شده است y).

با توجه به نمودارهای وابستگی Hxو هرتزاز جانب ایکستشخیص یک نقص بسیار دشوار است، زیرا مقادیر اکسترموم است Hxو هرتزبیش از یک نقص و بیش از ناهمگونی متناسب است.

وقتی مشخص شد که در ناحیه نقص وجود دارد، راه حلی پیدا شد حداکثر سرعت، بیشینه سرعتتغییرات (شیب) در قدرت میدان مغناطیسی برخی از مختصات بیشتر از ماکزیمم های دیگر است.

شکل 44 نشان می دهد که حداکثر شیب نمودار هرتز (x)بین نقاط x 1و x 2(یعنی در منطقه ای که نقص در آن قرار دارد) بسیار بیشتر از جاهای دیگر است.

بنابراین، دستگاه باید نه نمایش قدرت میدان، بلکه "نرخ" تغییر آن را اندازه گیری کند، یعنی. نسبت تفاوت برآمدگی در دو نقطه مجاور بالای سطح قطعه به فاصله بین این نقاط:

(10.5)

جایی که H z (x 1)، H z (x 2)- مقادیر طرح ریزی برداری اچ در هر محور zدر نقاط x 1، x 2(در سمت چپ و راست نقص)، Gz(x)معمولاً گرادیان شدت میدان مغناطیسی نامیده می شود.

اعتیاد Gz(x)نشان داده شده در شکل 44. فاصله Dx = x 2 - x 1بین نقاطی که پیش بینی های بردار در آنها اندازه گیری می شود اچ در هر محور z،با در نظر گرفتن اندازه میدان پراکندگی نقص انتخاب می شود.

همانطور که از شکل 44 نشان داده شده است، و این مطابق با عمل است، مقدار گرادیان بالای عیب به طور قابل توجهی بیشتر از مقدار آن بالاتر از ناهمگنی های فلز قطعه است. این همان چیزی است که ثبت یک نقص را زمانی که گرادیان از مقدار آستانه فراتر می‌رود، ممکن می‌سازد (شکل 44).

با انتخاب مقدار آستانه مورد نیاز، می توانید خطاهای کنترل را به حداقل مقادیر کاهش دهید.

شکل 44 خطوط میدان مغناطیسی یک نقص و ناهمگنی در فلز یک قطعه.

10.6 روش فلاکس گیت

روش fluxgate بر اساس اندازه گیری گرادیان شدت میدان سرگردان مغناطیسی ایجاد شده توسط یک نقص در محصول مغناطیسی شده با یک دستگاه fluxgate و مقایسه نتیجه اندازه گیری با یک آستانه است.

در خارج از قسمت کنترل شده، میدان مغناطیسی خاصی وجود دارد که برای مغناطیس کردن آن ایجاد می شود. استفاده از آشکارساز عیب - گرادیومتر تضمین می کند که سیگنال ناشی از نقص در پس زمینه یک جزء نسبتاً بزرگ از قدرت میدان مغناطیسی که به آرامی در فضا تغییر می کند جدا می شود.

یک آشکارساز عیب fluxgate از مبدلی استفاده می کند که به مولفه گرادیان جزء طبیعی قدرت میدان مغناطیسی روی سطح قطعه پاسخ می دهد. مبدل آشکارساز عیب شامل دو میله موازی ساخته شده از یک آلیاژ مغناطیسی نرم خاص است. هنگام آزمایش، میله ها عمود بر سطح قطعه هستند، یعنی. موازی با مولفه طبیعی قدرت میدان مغناطیسی. میله ها سیم پیچ های یکسانی دارند که جریان متناوب از آن عبور می کند. این سیم پیچ ها به صورت سری به هم متصل می شوند. جریان متناوب مولفه های متناوب قدرت میدان مغناطیسی را در میله ها ایجاد می کند. این مولفه ها از نظر قدر و جهت منطبق هستند. علاوه بر این، یک جزء ثابت از قدرت میدان مغناطیسی قطعه در محل هر میله وجود دارد. اندازه Δx، که در فرمول (10.5) آمده است برابر با فاصله محورهای میله ها است و پایه مبدل نامیده می شود. ولتاژ خروجی مبدل با تفاوت ولتاژهای متناوب در سیم پیچ ها تعیین می شود.

بیایید مبدل آشکارساز عیب را روی قسمتی از قطعه بدون نقص قرار دهیم، جایی که مقادیر شدت میدان مغناطیسی در نقاط است. x 1; x 2(به فرمول (10.5) مراجعه کنید) یکسان هستند. این بدان معناست که گرادیان شدت میدان مغناطیسی صفر است. سپس همان مولفه های ثابت و متناوب قدرت میدان مغناطیسی روی هر میله مبدل عمل می کند. این اجزا به همان اندازه میله ها را دوباره مغناطیس می کنند، بنابراین ولتاژ روی سیم پیچ ها با یکدیگر برابر است. اختلاف ولتاژی که سیگنال خروجی را تعیین می کند صفر است. بنابراین، مبدل آشکارساز عیب به میدان مغناطیسی پاسخ نمی دهد اگر گرادیان وجود نداشته باشد.

اگر گرادیان شدت میدان مغناطیسی صفر نباشد، میله ها در همان میدان مغناطیسی متناوب قرار می گیرند، اما اجزای ثابت متفاوت خواهند بود. هر میله توسط جریان متناوب سیم پیچ از حالت با القای مغناطیسی دوباره مغناطیس می شود - در اسبه + در اسطبق قانون القای الکترومغناطیسی، ولتاژ می تواند روی سیم پیچ تنها زمانی ظاهر شود که القای مغناطیسی تغییر کند. بنابراین، دوره نوسانات جریان متناوب را می توان به فواصل زمانی که میله در حالت اشباع است و بنابراین ولتاژ روی سیم پیچ صفر است، و به دوره هایی که اشباع وجود ندارد و بنابراین ولتاژ متفاوت است تقسیم کرد. از صفر در آن دوره‌های زمانی که هر دو میله تا حد اشباع مغناطیسی نمی‌شوند، ولتاژهای مساوی روی سیم‌پیچ‌ها ظاهر می‌شوند. در این زمان سیگنال خروجی صفر است. همین اتفاق می افتد اگر هر دو میله به طور همزمان اشباع شوند، زمانی که ولتاژی روی سیم پیچ ها وجود ندارد. ولتاژ خروجی زمانی ظاهر می شود که یک هسته در حالت اشباع و دیگری در حالت غیراشباع باشد.

تأثیر همزمان مولفه های ثابت و متغیر قدرت میدان مغناطیسی منجر به این واقعیت می شود که هر هسته در یک حالت اشباع بیش از بیش از مدت زمان طولانینسبت به دیگری اشباع طولانی‌تر مربوط به افزودن مولفه‌های ثابت و متغیر قدرت میدان مغناطیسی است، در حالی که اشباع کوتاه‌تر مربوط به تفریق است. تفاوت بین فواصل زمانی که با مقادیر القای مغناطیسی + مطابقت دارد در اسو - در اس، بستگی به قدرت میدان مغناطیسی ثابت دارد. حالتی را با القای مغناطیسی + در نظر بگیرید در اسدر دو میله مبدل مقادیر ناهموار قدرت میدان مغناطیسی در نقاط x 1و x 2با مدت زمان های مختلف فواصل اشباع مغناطیسی میله ها مطابقت دارد. هرچه تفاوت بین این قدرت های میدان مغناطیسی بیشتر باشد، فواصل زمانی متفاوت تر است. در آن دوره های زمانی که یک میله اشباع و دیگری غیراشباع است، ولتاژ خروجی مبدل رخ می دهد. این ولتاژ به گرادیان شدت میدان مغناطیسی بستگی دارد.

هنگام اتصال دو هادی موازی به جریان الکتریکی، بسته به جهت (قطبی) جریان متصل، جذب یا دفع می شوند. این با پدیده ظهور نوع خاصی از ماده در اطراف این هادی ها توضیح داده می شود. به این ماده میدان مغناطیسی (MF) می گویند. نیروی مغناطیسی نیرویی است که رساناها بر روی یکدیگر اثر می کنند.

نظریه مغناطیس در دوران باستان، در تمدن باستانی آسیا مطرح شد. در کوه‌های مگنزیا صخره‌ای خاص پیدا کردند که تکه‌های آن می‌توانستند جذب یکدیگر شوند. بر اساس نام محل به این سنگ «مغناطیسی» می گفتند. آهنربای میله ای شامل دو قطب است. خواص مغناطیسی آن به ویژه در قطب ها مشخص است.

آهنربایی که روی نخ آویزان است، کناره های افق را با قطب های خود نشان می دهد. قطب های آن به سمت شمال و جنوب خواهد رفت. دستگاه قطب نما بر اساس این اصل عمل می کند. قطب های مخالف دو آهنربا جذب می شوند و قطب های مشابه دفع می کنند.

دانشمندان کشف کرده اند که یک سوزن مغناطیسی که در نزدیکی یک هادی قرار دارد، وقتی جریان الکتریکی از آن عبور می کند، منحرف می شود. این نشان می دهد که یک MP در اطراف آن تشکیل شده است.

میدان مغناطیسی بر:

بارهای الکتریکی متحرک
موادی به نام فرومغناطیس: آهن، چدن، آلیاژهای آنها.

آهنرباهای دائمی اجسامی هستند که دارای گشتاور مغناطیسی مشترک ذرات باردار (الکترون) هستند.

1 — قطب جنوبآهن ربا
2 - قطب شمال آهنربا
3 - MP با استفاده از نمونه براده های فلزی
4 - جهت میدان مغناطیسی

خطوط نیرو زمانی ظاهر می شوند که آهنربای دائمی به ورق کاغذی نزدیک می شود که لایه ای از براده های آهن روی آن ریخته می شود. شکل به وضوح مکان قطب ها را با خطوط نیروی جهت دار نشان می دهد.

منابع میدان مغناطیسی

• میدان الکتریکی در طول زمان تغییر می کند.
• هزینه های موبایل
• آهنرباهای دائمی

ما از کودکی با آهنرباهای دائمی آشنا بودیم. از آنها به عنوان اسباب بازی هایی استفاده می شد که قطعات فلزی مختلفی را به خود جذب می کردند. آنها به یخچال وصل شده بودند، آنها را در اسباب بازی های مختلف ساخته بودند.

بارهای الکتریکی که در حال حرکت هستند اغلب در مقایسه با آهنرباهای دائمی انرژی مغناطیسی بیشتری دارند.

خواص

• اصلی انگو خاصیت میدان مغناطیسی نسبیت است. اگر یک جسم باردار را در یک چارچوب مشخص بی حرکت رها کنید و یک سوزن مغناطیسی در نزدیکی آن قرار دهید، آنگاه به سمت شمال اشاره می کند و در عین حال یک میدان خارجی را به جز میدان زمین احساس نمی کند. . و اگر حرکت یک جسم باردار را در نزدیکی فلش شروع کنید، یک MP در اطراف بدن ظاهر می شود. در نتیجه، مشخص می شود که MF تنها زمانی تشکیل می شود که یک بار خاص حرکت می کند.
• یک میدان مغناطیسی می تواند بر جریان الکتریکی تأثیر بگذارد و بر آن تأثیر بگذارد. با نظارت بر حرکت الکترون های باردار می توان آن را تشخیص داد. در یک میدان مغناطیسی، ذرات دارای بار منحرف می شوند، هادی هایی با جریان جریان حرکت می کنند. قاب با منبع جریان وصل شده شروع به چرخش می کند و مواد مغناطیسی شده در فاصله مشخصی حرکت می کنند. سوزن قطب نما اغلب رنگی است رنگ ابی. این یک نوار از فولاد مغناطیسی است. قطب نما همیشه به سمت شمال می رود، زیرا زمین دارای میدان مغناطیسی است. کل سیاره مانند یک آهنربای بزرگ با قطب های خود است.

میدان مغناطیسی توسط اندام های انسان درک نمی شود و تنها توسط دستگاه ها و حسگرهای خاص قابل تشخیص است. در انواع متغیر و دائمی موجود است. میدان متناوب معمولاً توسط سلف های خاصی ایجاد می شود که با جریان متناوب کار می کنند. یک میدان ثابت از یک میدان الکتریکی ثابت تشکیل می شود.

قوانین

بیایید قوانین اساسی برای به تصویر کشیدن میدان مغناطیسی برای هادی های مختلف را در نظر بگیریم.

قانون گیملت

خط نیرو در صفحه ای به تصویر کشیده می شود که در زاویه 90 0 نسبت به مسیر جریان جریان قرار دارد به طوری که در هر نقطه نیرو به صورت مماس بر خط هدایت می شود.

برای تعیین جهت نیروهای مغناطیسی، باید قاعده گیملت با نخ سمت راست را به خاطر بسپارید.

گیملت باید در امتداد همان محور با بردار جریان قرار گیرد، دسته باید به گونه‌ای بچرخد که گیره در جهت خود حرکت کند. در این حالت جهت خطوط با چرخاندن دسته گیملت تعیین می شود.

قاعده حلقه حلقه

حرکت انتقالی گیملت در یک هادی ساخته شده به شکل حلقه نشان می دهد که القاء چگونه جهت گیری می کند؛ چرخش با جریان جریان منطبق است.

خطوط نیرو در داخل آهنربا ادامه دارند و نمی توانند باز شوند.

یک میدان مغناطیسی منابع مختلفبا یکدیگر خلاصه می شوند. با این کار میدان مشترکی ایجاد می کنند.

آهنرباهایی با قطب های یکسان دفع می کنند و آهنرباهای با قطب های متفاوت جذب می شوند. مقدار قدرت اندرکنش به فاصله بین آنها بستگی دارد. با نزدیک شدن به قطب ها، نیرو افزایش می یابد.

پارامترهای میدان مغناطیسی

• کوپلینگ جریان ( Ψ ).
• بردار القای مغناطیسی ( که در).
• شار مغناطیسی ( اف).

شدت میدان مغناطیسی با اندازه بردار القای مغناطیسی محاسبه می شود که به نیروی F بستگی دارد و توسط جریان I در امتداد رسانایی با طول تشکیل می شود. l: B = F / (I * l).

القای مغناطیسی در تسلا (T)، به افتخار دانشمندی که پدیده های مغناطیس را مطالعه کرده و روی روش های محاسبه آنها کار کرده است، اندازه گیری می شود. 1 T برابر با نیروی القای شار مغناطیسی است 1 Nدر طول 1 مترهادی مستقیم در زاویه 90 0 به جهت میدان، با جریان یک آمپر:

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

قانون دست چپ

این قانون جهت بردار القای مغناطیسی را پیدا می کند.

اگر کف دست چپ در میدان قرار گیرد به طوری که خطوط میدان مغناطیسی از قطب شمال در 90 0 وارد کف دست شود و 4 انگشت در امتداد جریان جریان قرار گیرند. شستجهت نیروی مغناطیسی را نشان خواهد داد.

اگر هادی در یک زاویه متفاوت باشد، نیرو مستقیماً به جریان و برآمدگی هادی بر روی صفحه در زاویه قائم بستگی دارد.

نیرو به نوع ماده هادی و سطح مقطع آن بستگی ندارد. اگر هادی وجود نداشته باشد و بارها در یک محیط متفاوت حرکت کنند، آنگاه نیرو تغییر نخواهد کرد.

هنگامی که بردار میدان مغناطیسی در یک جهت یک قدر باشد، میدان یکنواخت نامیده می شود. محیط های مختلف بر اندازه بردار القایی تأثیر می گذارد.

شار مغناطیسی

القای مغناطیسی که از ناحیه معینی S می گذرد و با این ناحیه محدود می شود، یک شار مغناطیسی است.

اگر ناحیه در زاویه ای معین α نسبت به خط القاء متمایل باشد، شار مغناطیسی به اندازه کسینوس این زاویه کاهش می یابد. بیشترین مقدار آن زمانی تشکیل می شود که ناحیه در زاویه قائمه با القای مغناطیسی باشد:

F = B * S.

شار مغناطیسی در یک واحد اندازه گیری می شود مانند "وبر"، که برابر است با جریان القای قدر 1 تبر اساس منطقه در 1 متر مربع.

شار

این مفهوم برای ایجاد استفاده می شود معنی کلیشار مغناطیسی که از تعداد معینی هادی که بین قطب های مغناطیسی قرار دارند ایجاد می شود.

در موردی که همان جریان مناز طریق سیم پیچی با تعدادی پیچ n جریان می یابد، کل شار مغناطیسی تشکیل شده توسط همه پیچ ها، پیوند شار است.

شار Ψ با وبر اندازه گیری می شود و برابر است: Ψ = n * Ф.

خواص مغناطیسی

نفوذپذیری مغناطیسی تعیین می کند که چقدر میدان مغناطیسی در یک محیط خاص کمتر یا بیشتر از القای میدان در خلاء است. ماده ای مغناطیسی نامیده می شود که میدان مغناطیسی خود را تولید کند. هنگامی که یک ماده در میدان مغناطیسی قرار می گیرد، مغناطیسی می شود.

دانشمندان دلیل به دست آوردن خواص مغناطیسی اجسام را مشخص کرده اند. بر اساس فرضیه دانشمندان، موادی در داخل آن وجود دارد جریان های الکتریکیاندازه میکروسکوپی یک الکترون دارای گشتاور مغناطیسی خاص خود است که ماهیت کوانتومی دارد و در امتداد مدار خاصی در اتم ها حرکت می کند. این جریان های کوچک هستند که خواص مغناطیسی را تعیین می کنند.

اگر جریان ها به طور تصادفی حرکت کنند، میدان های مغناطیسی ناشی از آنها خود جبران می شوند. میدان خارجی جریان ها را مرتب می کند، بنابراین یک میدان مغناطیسی تشکیل می شود. این مغناطیس شدن ماده است.

مواد مختلف را می توان بر اساس خواص برهمکنش آنها با میدان های مغناطیسی تقسیم کرد.

آنها به گروه های زیر تقسیم می شوند:

پارامغناطیس- موادی که خاصیت مغناطیسی در جهت میدان خارجی دارند و پتانسیل کمی برای مغناطیس دارند. آنها قدرت میدانی مثبتی دارند. از جمله این مواد می توان به کلرید آهن، منگنز، پلاتین و غیره اشاره کرد.
آهنربای فری- موادی با گشتاورهای مغناطیسی نامتعادل در جهت و ارزش. آنها با وجود آنتی فرومغناطیس جبران نشده مشخص می شوند. قدرت میدان و دما بر حساسیت مغناطیسی آنها (اکسیدهای مختلف) تأثیر می گذارد.
فرومغناطیس ها- مواد با افزایش حساسیت مثبت، بسته به کشش و دما (کریستال های کبالت، نیکل و غیره).
دیامغناطیس ها- دارای خاصیت مغناطیسی در جهت مخالف میدان خارجی، یعنی معنی منفیحساسیت مغناطیسی، مستقل از کشش. در صورت عدم وجود میدان، این ماده خاصیت مغناطیسی نخواهد داشت. این مواد عبارتند از: نقره، بیسموت، نیتروژن، روی، هیدروژن و سایر مواد.
ضد فرومغناطیس - دارای یک گشتاور مغناطیسی متعادل و در نتیجه درجه مغناطیسی کم ماده است. هنگامی که گرم می شود، یک انتقال فاز ماده رخ می دهد که در طی آن خواص پارامغناطیس ظاهر می شود. هنگامی که دما به زیر یک حد معین کاهش می یابد، چنین خواصی ظاهر نمی شود (کروم، منگنز).

آهنرباهای در نظر گرفته شده نیز به دو دسته دیگر طبقه بندی می شوند:

مواد مغناطیسی نرم . اجبار کم دارند. در میدان های مغناطیسی کم توان آنها می توانند اشباع شوند. در طول فرآیند برگشت مغناطیسی، آنها تلفات جزئی را تجربه می کنند. در نتیجه، چنین موادی برای تولید هسته های دستگاه های الکتریکی که بر روی ولتاژ متناوب کار می کنند (، ژنراتور،) استفاده می شود.
مغناطیسی سختمواد. آنها نیروی اجباری فزاینده ای دارند. برای مغناطیس مجدد آنها، یک میدان مغناطیسی قوی لازم است. از چنین موادی در تولید آهنرباهای دائمی استفاده می شود.

خواص مغناطیسی مواد مختلفکاربرد آنها را در پروژه های فنیو اختراعات

مدارهای مغناطیسی

ترکیبی از چندین ماده مغناطیسی را مدار مغناطیسی می گویند. آنها مشابه هستند و توسط قوانین مشابه ریاضی تعیین می شوند.

دستگاه های الکتریکی، اندوکتانس ها و غیره بر اساس مدارهای مغناطیسی عمل می کنند. در یک الکترومغناطیس فعال، شار از طریق یک مدار مغناطیسی ساخته شده از مواد فرومغناطیسی و هوا جریان می یابد که فرومغناطیسی نیست. ترکیب این اجزا یک مدار مغناطیسی است. بسیاری از دستگاه های الکتریکی دارای مدارهای مغناطیسی در طراحی خود هستند.