統一国家試験編纂者のトピック: 磁石の相互作用、導体の磁場と電流。
物質の磁気特性は古くから人々に知られていました。 磁石の名前は、古代都市マグネシアに由来します。その近くには一般的な鉱物（後に磁性鉄鉱石または磁鉄鉱と呼ばれます）があり、その破片が鉄の物体を引き付けました。
磁石の相互作用
各磁石の両側には、 北極そして 南極。 2 つの磁石は反対の極で互いに引き付けられ、同じ極で反発します。 磁石は真空中でも相互に作用します。 これはすべて電荷の相互作用に似ていますが、 磁石の相互作用は電気的ではありません。 これは、次の実験事実によって証明されています。
磁石は加熱すると磁力が弱まります。 点電荷の相互作用の強さは温度に依存しません。
磁石を振ると磁力が弱まります。 帯電した物体ではこのようなことは起こりません。
ポジティブ 電気料金負のものから分離することができます（たとえば、物体の帯電中）。 しかし、磁石の極を分離することは不可能です。磁石を 2 つの部分に切断すると、切断箇所にも極が現れ、磁石は両端が反対の極を持つ 2 つの磁石に分かれます (まったく同じ向きになります)。元の磁石の極として）。
それで磁石 いつも双極性、それらは形でのみ存在します 双極子。 孤立した磁極（と呼ばれる） 磁気単極子- 電荷の類似体）は自然界には存在しません（いずれにせよ、実験的にはまだ発見されていません）。 これはおそらく、電気と磁気の間の最も顕著な非対称性です。
帯電した物体と同様、磁石は電荷に作用します。 ただし、磁石は次のものにしか作用しません。 移動中充電; 電荷が磁石に対して静止している場合、電荷に対する磁力の影響は観察されません。 逆に、帯電した物体は、静止しているか動いているかに関係なく、あらゆる電荷に基づいて作用します。
による 現代のアイデア短距離理論では、磁石の相互作用は次のように行われます。 磁場つまり、磁石は周囲の空間に磁場を生成し、その磁場が別の磁石に作用して、これらの磁石の目に見える引力または反発を引き起こします。
磁石の例としては、 磁針方位磁針。 磁針を使用すると、空間の特定の領域における磁場の存在と磁場の方向を判断できます。
私たちの惑星である地球は巨大な磁石です。 地球の地理的な北極からそれほど遠くないところに南磁極があります。 したがって、地球の南磁極に向かうコンパスの針の北端は、地理的な北を指します。 これが磁石の「北極」という名前の由来です。
磁力線
電場は、小さな試験電荷を使用して、その影響によって場の大きさと方向を判断できるように研究されたことを思い出します。 磁場の場合のテストチャージに相当するのは、小さな磁気針です。
たとえば、磁場を次のように配置すると、磁場の幾何学的な理解を得ることができます。 異なる点非常に小さなコンパスの矢印のスペース。 経験上、矢印は特定の線、いわゆる線に沿って並ぶことがわかっています。 磁力線。 この概念を次の３点で定義してみましょう。
1. 磁力線、または磁気 電力線- これらは、次の特性を持つ空間内の有向線です。このような線の各点に配置された小さなコンパスの針は、この線に接する方向に配置されます。.
2. 磁力線の方向は、この線上の点にある方位磁石の針の北端の方向と考えられます。.
3. 線の密度が高くなるほど、空間の特定の領域の磁場が強くなります。.
鉄のやすりはコンパスの針としてうまく機能します。磁場では、小さなやすりは磁化され、磁針とまったく同じように動作します。
したがって、永久磁石の周りに鉄やすりを注ぐと、ほぼ次のような磁力線の図が表示されます (図 1)。
米。 1. 永久磁石場
磁石の N 極は、青色と文字で示されます。 南極 - 赤と文字。 磁力線は磁石の北極を出て南極に入ることに注意してください。結局のところ、コンパスの針の北端は磁石の南極に向かうことになります。
エルステッドの経験
電気的であるにもかかわらず、 磁気現象古代から人々に知られていましたが、長い間それらの間に関係は観察されませんでした。 数世紀にわたり、電気と磁気の研究は並行して互いに独立して進められてきました。
電気現象と磁気現象が実際に相互に関連しているという注目すべき事実は、1820 年にエルステッドの有名な実験で初めて発見されました。
エルステッドの実験の図を図に示します。 2 (サイト rt.mipt.ru からの画像)。 磁針 (針の N 極と S 極) の上には、電流源に接続された金属導体があります。 回路を閉じると、矢印は導体に対して垂直になります。
この単純な実験は、電気と磁気の関係を直接示しました。 エルステッドの実験に続く実験により、次のパターンがしっかりと確立されました。 磁場は電流によって発生し、電流に作用します。.
米。 2. エルステッドの実験
電流が流れる導体によって生成される磁力線のパターンは、導体の形状によって異なります。
電流が流れる直線ワイヤの磁場
電流が流れる直線ワイヤの磁力線は同心円です。 これらの円の中心はワイヤー上にあり、その平面はワイヤーに対して垂直です (図 3)。
米。 3. 電流が流れる直線電界
順磁力線の方向を決定するには、2 つの代替ルールがあります。
時計回りの法則. 電流がこちらに向かって流れるように見ると、磁力線は反時計回りに進みます。.
ネジ定規（または ギムレットルール、 または コルク抜きルール- これは誰かに近いものです ;-))。 磁力線は、ネジ (通常の右ネジ) を回す必要がある場所に移動し、ネジが電流の方向にネジに沿って移動します。.
自分に合ったルールを使用してください。 時計回りのルールに慣れることをお勧めします。後で、そのルールがより普遍的で使いやすいことがわかります（そして、解析幾何学を勉強する最初の年に、感謝の気持ちを持ってそれを覚えてください）。
図では、 3 何か新しいものが現れました: これは と呼ばれるベクトルです 磁場誘導、 または 磁気誘導。 磁気誘導ベクトルは電界強度ベクトルに似ており、次のような役割を果たします。 電力特性磁場、磁場が移動する電荷に作用する力を決定します。
磁場内の力については後で説明しますが、ここでは、磁場の大きさと方向が磁気誘導ベクトルによって決定されることだけに注意してください。 空間内の各点で、ベクトルは、特定の点に置かれたコンパスの針の北端と同じ方向、つまり、この線の方向における磁力線の接線に向けられます。 磁気誘導は次のように測定されます。 テスラ(TL)。
電場の場合と同様に、磁場の誘導にも次のことが当てはまります。 重ね合わせの原理。 それは次のような事実にあります。 さまざまな電流によって特定の点で生成される磁場の誘導はベクトル的に加算され、結果として生じる磁気誘導のベクトルが得られます。.
電流によるコイルの磁界
直流電流が循環する円形コイルを考えてみましょう。 図では電流を生成する源は示していません。
私たちの軌道の力線の図は、およそ次のようになります (図 4)。
米。 4. 電流が流れるコイルの磁界
私たちにとって、磁場が（コイルの平面に対して）どの半空間に向けられるかを決定できることが重要になります。 ここでも 2 つの代替ルールがあります。
時計回りの法則. 磁力線はそこに向かい、電流が反時計回りに循環しているように見える場所から見る.
ネジ定規. 磁力線は、ネジ (通常の右ネジ) が電流の方向に回転した場合に移動する場所に進みます。.
ご覧のとおり、直流の場合のこれらのルールの定式化と比較すると、電流とフィールドの役割が変わります。
電流コイルの磁界
コイルワイヤーをしっかりと回して、十分に長い螺旋を描くように巻くとうまくいきます (図 5 - 画像は en.wikipedia.org より)。 コイルは数十、数百、さらには数千の巻き数を持つ場合があります。 コイルとも呼ばれます ソレノイド.
米。 5.コイル（ソレノイド）
私たちが知っているように、1 回転の磁場はそれほど単純ではありません。 田畑？ コイルの個々の巻きが互いに重なり合うため、結果は非常にわかりにくい図になるように思われます。 しかし、そうではありません。長いコイルの磁場は、予想外に単純な構造をしています (図 6)。
米。 6. 電流コイルフィールド
この図では、コイルに流れる電流は左から見て反時計回りに流れます（図5でコイルの右端が電流源の「プラス」に接続され、左端が「プラス」に接続された場合に起こります）。マイナス"）。 コイルの磁場には 2 つの特徴的な特性があることがわかります。
1. コイルの端から遠く離れたコイルの内部では、磁場が次のようになります。 同種の: 各点での磁気誘導ベクトルの大きさと方向は同じです。 力線は平行な直線です。 コイルが出てくるとき、コイルの端付近のみが曲がります。
2. コイルの外側では磁場はゼロに近くなります。 コイルの巻き数が増えるほど、コイルの外側の磁場は弱くなります。
無限に長いコイルは磁場を外側にまったく放出しないことに注意してください。コイルの外側には磁場がありません。 このようなコイル内では、磁場はどこでも均一です。
何か思い出しませんか？ コイルはコンデンサの「磁気」に相当します。 コンデンサーが均一な状態を作り出すことを覚えていますか? 電界、その線はプレートの端の近くでのみ曲がり、コンデンサの外側では磁場はゼロに近くなります。 無限のプレートを備えたコンデンサは、磁場を外部にまったく放出せず、磁場は内部のどこでも均一です。
そして今 - 主な観察。 コイルの外側の磁力線の図 (図 6) と図 6 の磁力線を比較してください。 1. 同じことですね。 そして今、私たちはおそらく長い間あなたの心に浮かんだであろう質問に行き着きます：磁場が電流によって生成され、電流に作用する場合、永久磁石の近くに磁場が現れる理由は何ですか？ 結局のところ、この磁石は電流が流れる導体ではないようです。
アンペールの仮説。 素電流
当初、磁石の相互作用は、極に集中する特別な磁荷によって説明されると考えられていました。 しかし、電気とは異なり、磁荷を分離できる人は誰もいません。 結局のところ、すでに述べたように、磁石の N 極と S 極を個別に取得することはできません。極は常に磁石内にペアで存在します。
磁場が電流によって生成されることが判明したエルステッドの実験により、磁荷に関する疑念はさらに悪化しました。 さらに、どの磁石でも、この導体の磁場が磁石の磁場と一致するように、適切な構成の電流を有する導体を選択することが可能であることが判明した。
アンペールは大胆な仮説を提唱しました。 磁荷はありません。 磁石の作用は磁石内部の閉電流によって説明されます.
これらの流れは何でしょうか？ これら 素電流原子や分子の内部を循環します。 それらは原子軌道に沿った電子の動きに関係しています。 あらゆる物体の磁場は、これらの基本電流の磁場から構成されます。
基本電流は相互にランダムに配置される場合があります。 すると、それらの磁場は相互に打ち消し合い、物体は磁性を示さなくなります。
しかし、基本電流が調整された方法で配置されている場合、それらの磁場は合計され、互いに強化されます。 体は磁石になります (図 7; 磁場は私たちに向けられ、磁石の N 極も私たちに向けられます)。
米。 7. 基本的な磁石電流
アンペールの素電流に関する仮説により磁石の性質が解明されましたが、磁石を加熱したり振ったりすると素電流の秩序が崩れ、磁気特性が弱まります。 磁石の極が分離できないことは明らかです。磁石が切断された時点で、両端に同じ基本電流が得られます。 物体が磁場中で磁化される能力は、適切に「回転」する基本電流の調整された配置によって説明されます (磁場中での円形電流の回転については、次のシートを参照してください)。
アンペールの仮説は真実であることが判明 - これは証明しました 更なる発展物理。 素電流に関するアイデアは原子理論の不可欠な部分となり、アンペールの素晴らしい推測からほぼ 100 年後の 20 世紀にすでに開発されました。
間違いなく、磁力線は今や誰もが知っています。 少なくとも学校では、それらの現れは物理の授業で実証されています。 教師が紙の下に永久磁石 (極の向きを組み合わせて 2 つ) を置き、その上に労働訓練教室から取ってきた金属やすりを注いだ方法を覚えていますか? 金属をシート上に保持する必要があることは明らかですが、何か奇妙なことが観察されました。おがくずが並んでいる線がはっきりと見えました。 均等ではなく縞模様になっていることに注意してください。 これらは磁力線です。 あるいはむしろ、彼らの現れです。 そのとき何が起こったのでしょうか?それはどのように説明できますか?
遠くから始めましょう。 目に見える物理世界で私たちと共存する 特別な種類物質 - 磁場。 それは、電荷または自然電荷を持ち、互いに相互接続されるだけでなく、しばしば自ら生成する、移動する素粒子またはより大きな物体の相互作用を確実にします。 たとえば、電流が流れるワイヤは、その周囲に磁力線を生成します。 逆もまた真です。閉導回路上の交流磁場の影響により、その回路内に電荷キャリアの移動が生じます。 後者の特性は、すべての消費者に電気エネルギーを供給する発電機で使用されます。 印象的な例電磁場 - 光。
導体の周囲の磁力線は回転します。また、これは真実ですが、磁気誘導の方向ベクトルによって特徴付けられます。 回転方向はギムレットのルールによって決まります。 フィールドは全方向に均等に広がるため、示されている線は慣例です。 問題は、それを無限の数の線の形で表現でき、その中にはより顕著な緊張感を持つものもあります。 おがくずに特定の「線」がはっきりと見えるのはこのためです。 興味深いことに、磁力線は決して中断されないため、どこが始まりでどこが終わりであるかを明確に言うことは不可能です。
永久磁石 (または同様の電磁石) の場合、通常、北と南と呼ばれる 2 つの極が常に存在します。 この場合に言及される線は、両方の極を接続するリングと楕円です。 時々、これは相互作用するモノポールの観点から説明されますが、その場合、モノポールを分離できないという矛盾が生じます。 つまり、磁石を分割しようとすると、いくつかの双極部分が現れることになります。
力線の特性は非常に興味深いものです。 導通についてはすでに説明しましたが、実際に興味深いのは、導体に電流を生成する能力です。 これの意味は次のとおりです。導電性の輪郭が線で交差すると (または導電体自体が磁場内で移動すると)、追加のエネルギーが材料の原子の外側の軌道にある電子に与えられ、電子が独立した指示された動きを開始します。 磁場は荷電粒子を「ノックアウト」しているように見えると言えます。 結晶格子。 この現象はと呼ばれます 電磁誘導現在、プライマリを入手する主な方法です。 電気エネルギー。 1831年にイギリスの物理学者マイケル・ファラデーによって実験的に発見されました。
磁場の研究は 1269 年に始まり、P. ペレグリヌスが球形の磁石と鋼鉄の針の相互作用を発見しました。 ほぼ 300 年後、W. G. コルチェスターは、自分自身が 2 つの極を持つ巨大な磁石であると示唆しました。 さらに、磁気現象は、ローレンツ、マクスウェル、アンペール、アインシュタインなどの有名な科学者によって研究されました。
磁場とは何かを一緒に理解しましょう。 結局のところ、多くの人は一生この分野で生きており、それについて考えさえしません。 それを直す時が来ました！
磁場
磁場- 特殊な種類の物質。 それは、移動する電荷や独自の磁気モーメントを持つ物体に対する作用として現れます ( 永久磁石).
重要: 磁場は静止電荷には影響しません。 磁場は、電荷の移動、時間変化する電場、原子内の電子の磁気モーメントによっても生成されます。 つまり、電流が流れるワイヤーも磁石になります。
独自の磁場を持つ体。
磁石にはN極とS極と呼ばれる極があります。 「北」と「南」という指定は便宜上のみ与えられています（電気の「プラス」と「マイナス」のように）。
磁場は次のように表されます。 磁力線。 力線は連続的で閉じており、その方向は常に場の力の作用方向と一致します。 金属の削りくずが永久磁石の周りに散らばっていると、金属粒子は、N 極から出て S 極に入る磁力線の鮮明な図を示します。 磁場のグラフィック特性 - 力線。
磁場の特性
磁場の主な特徴は次のとおりです。 磁気誘導, 磁束そして 透磁率。 しかし、すべてを順番に話しましょう。
すべての測定単位がシステム内で与えられていることにすぐに注目してください。 SI.
磁気誘導 B – ベクトル 物理量、これは磁場の主な力特性です。 文字で示される B 。 磁気誘導の測定単位 – テスラ (T).
磁気誘導は、磁場が電荷に及ぼす力を決定することによって、磁場の強さを示します。 この力はと呼ばれます ローレンツ力.
ここ q - 充電、 v - 磁場中での速度、 B - 誘導、 F - 磁場が電荷に作用するローレンツ力。
F– 回路の面積による磁気誘導と、誘導ベクトルと磁束が通過する回路の平面の法線との間の余弦との積に等しい物理量。 磁束は磁場のスカラー特性です。
磁束は単位面積を貫く磁気誘導線の数を特徴付けると言えます。 磁束の測定単位は次のとおりです。 ウェーベラッハ (Wb).
透磁率– 媒体の磁気特性を決定する係数。 場の磁気誘導が依存するパラメータの 1 つは透磁率です。
私たちの地球は数十億年にわたって巨大な磁石でした。 地球磁場の誘導は座標によって異なります。 赤道では、テスラの 10 のマイナス 5 乗の約 3.1 倍です。 さらに、磁場の値と方向が隣接する領域と大きく異なる磁気異常も存在します。 地球上で最大規模の磁気異常のいくつか - クルスクそして ブラジルの磁気異常.
地球磁場の起源は科学者たちにとって依然として謎のままです。 場の発生源は地球の液体金属コアであると想定されています。 コアが動いているということは、溶けた鉄とニッケルの合金が動いていることを意味し、荷電粒子の動きは磁場を生成する電流です。 問題は、この理論 ( 地球ダイナモ) は磁場がどのように安定に保たれるかを説明していません。
地球は巨大な磁気双極子です。磁極は近接していますが、地理的な磁極とは一致しません。 さらに、地球の磁極は移動します。 彼らの移動は 1885 年以来記録されています。 たとえば、過去 100 年間で、南半球の磁極はほぼ 900 キロメートル移動し、現在は南極に位置しています。 北極半球の極は北極海を通って東シベリアの磁気異常に向かって移動しており、その移動速度（2004 年のデータによる）は年間約 60 キロメートルでした。 現在、極の移動が加速しており、その速度は平均して年間 3 キロメートルずつ増加しています。
私たちにとって地球の磁場はどのような意味を持つのでしょうか?まず第一に、地球の磁場は地球を宇宙線や太陽風から守っています。 深宇宙からの荷電粒子は直接地上に落ちるのではなく、巨大な磁石によってそらされ、その力線に沿って移動します。 したがって、すべての生き物は有害な放射線から守られています。
地球の歴史の中でいくつかの出来事が起こりました。 反転磁極の（変化）。 極性反転- これは彼らが場所を変えるときです。 この現象が最後に起こったのは約 80 万年前で、地球の歴史の中で合計 400 回以上の地磁気逆転がありました。観測された磁極の動きの加速を考えると、次の極は次の極になると信じている科学者もいます。逆転は今後数千年以内に起こると予想される。
幸いなことに、今世紀には極変化はまだ予想されていません。 これは、磁場の基本的な性質と特性を考慮した上で、古き良き一定の地球の磁場で楽しいことを考え、人生を楽しむことができることを意味します。 そして、あなたがこれを行うことができるように、教育上のトラブルの一部を自信を持って任せることができる私たちの著者がいます。 リンクを使用して他の種類の作業を注文できます。
磁場。 羽根制御の基本
私たちは地球の磁場の中で生きています。 磁場の現れは、磁気コンパスの針が常に北を指すことです。 磁気コンパスの針を永久磁石の極の間に置くと、同じ結果が得られます (図 34)。
図 34 - 磁極付近の磁針の向き
通常、磁石の極の 1 つ (南) は文字で指定されます。 S、その他 - (北) - 文字 N。 図 34 は、磁針の 2 つの位置を示しています。 各位置では、矢印と磁石の反対極が互いに引き付けられます。 したがって、コンパスの針をその位置から移動するとすぐに方向が変わりました。 1 位置を決める 2 。 磁石に引き寄せられ、矢印が回転する理由は磁場です。 矢印が上右に回転することは、空間内のさまざまな点における磁場の方向が変化しないことを示しています。
図 35 は、磁石の極の上に置かれた厚紙の上に磁性粉末を注いだ実験の結果を示しています。 粉末粒子がラインを形成していることがわかります。
磁場に入ると粉末粒子は磁化されます。 各粒子には N 極と S 極があります。 近くにある粉体粒子は磁場の中で回転するだけでなく、互いにくっついて線状に並びます。 これらの線は通常、磁力線と呼ばれます。
図 35 磁極の上に位置する紙上の磁性粉粒子の配置
このような線の近くに磁針を置くと、針が接線方向に配置されていることがわかります。 数字で見る 1 , 2 , 3 図 35 に、対応する点での磁針の向きを示します。 極付近では、磁性粉末の密度がシート上の他の点よりも高くなります。 これは、そこでの磁場の大きさが最大値を持つことを意味します。 したがって、各点の磁場は、磁場を特徴付ける量の値とその方向によって決まります。 このような量は通常ベクトルと呼ばれます。
磁石の極の間に鋼部品を配置しましょう (図 36)。 パーツ内の電力線の方向は矢印で示されています。 磁力線もその部品内に現れますが、空気中よりもはるかに多く存在するだけです。
図 36 単純な形状の部品の着磁
実際、鋼の部分には鉄が含まれており、ドメインと呼ばれる微小磁石で構成されています。 部品に磁場を加えると、部品がこの磁場の方向に向きを変え始め、磁場が何度も強化されるという事実が生じます。 部品内の磁力線は互いに平行である一方、磁場は一定であることがわかります。 同じ密度で描かれた平行な直線の力線を特徴とする磁場を均一と呼びます。
10.2 磁気量
磁場を特徴付ける最も重要な物理量は磁気誘導ベクトルであり、通常は次のように表されます。 で。 それぞれの物理量について、その次元を示すのが通例です。 したがって、電流の単位はアンペア (A)、磁気誘導の単位はテスラ (T) です。 磁化された部品における磁気誘導は、通常、0.1 ～ 2.0 テスラの範囲にあります。
均一磁場の中に置かれた磁針が回転します。 軸の周りを回転させる力のモーメントは磁気誘導に比例します。 磁気誘導は、材料の磁化の程度も特徴づけます。 図 34、35 に示す力線は、空気および材料 (部品) の磁気誘導の変化を特徴づけます。
磁気誘導は空間内のあらゆる点で磁場を決定します。 ある表面 (部品の断面など) の磁場を特徴付けるために、磁束と呼ばれる別の物理量が使用され、次のように表されます。 Φ.
均一に磁化された部品 (図 36) を磁気誘導の値によって特徴付けるとします。 で、部品の断面積は次のようになります。 Sの場合、磁束は次の式で求められます。
磁束の単位はウェーバー（Wb）です。
例を見てみましょう。 部品内の磁気誘導は 0.2 T、断面積は 0.01 m 2 です。 このときの磁束は0.002Wbとなります。
長い円筒形の鉄の棒を均一な磁場の中に置いてみましょう。 ロッドの対称軸を力線の方向と一致させます。 そうすれば、ロッドはほぼどこでも均一に磁化されます。 ロッド内の磁気誘導は空気中よりもはるかに大きくなります。 材料内の磁気誘導率 Bm空気中の磁気誘導に対して で透磁率と呼ばれます:
μ=Bm/Bインチ (10.2)
透磁率は無次元の量です。 さまざまなグレードの鋼の透磁率は 200 ～ 5,000 の範囲です。
磁気誘導は材料の特性に依存するため、磁気プロセスの技術的な計算が複雑になります。 したがって、材料の磁気特性に依存しない補助量が導入されました。 これは磁場強度ベクトルと呼ばれ、次のように表されます。 H. 磁界の強さの単位はアンペア/メートル (A/m) です。 部品の非破壊磁気検査では、磁場の強さは 100 ～ 100,000 A/m の範囲で変化します。
磁気誘導間 でと磁場の強さ N空中には単純な関係があります。
V in =μ 0 H、(10.3)
どこ μ 0 = 4π 10 –7 ヘンリー/メートル - 磁気定数。
材料内の磁場の強さと磁気誘導は、次の関係によって相互に関連付けられます。
B=μμ 0 H (10.4)
磁場の強さ N - ベクトル。 フラックスゲート テストで部品の表面上のこのベクトルの成分を決定する必要がある場合。 これらのコンポーネントは、図 37 を使用して決定できます。ここでは、部品の表面は平面として扱われます。 xy、軸 zこの平面に対して垂直です。
図 1.4 ではベクトルの頂点から H 垂線が平面上に落とされる x、y。 座標原点から垂線と平面の交点にベクトルを描画します H これはベクトルの磁場強度の接線成分と呼ばれます。 H 。 ベクトルの頂点からの垂線の削除 H 軸上にある バツそして y、投影を定義します 高さ×そして やあベクター H. 投影 H 軸ごと z磁場強度の垂直成分と呼ばれる ん 。 磁気試験では、磁界強度の接線方向成分と法線成分が測定されることがほとんどです。
図 37 磁場強度のベクトルと部品表面への投影
10.3 磁化曲線とヒステリシスループ
外部磁場の強度が徐々に増加するにつれて、最初に消磁された強磁性材料の磁気誘導の変化を考えてみましょう。 この依存性を反映したグラフを図 38 に示します。これは初期磁化曲線と呼ばれます。 磁場の弱い領域では、この曲線の傾きは比較的小さく、その後増加し始め、最大値に達します。 磁界強度の値がさらに高くなると、傾きが減少するため、磁界の増加に伴う磁気誘導の変化は重要ではなくなります。磁気飽和が発生します。これは、その大きさによって特徴付けられます。 BS。 図 39 は、透磁率の磁界強度への依存性を示しています。 この依存性は、初期透磁率 μ n と最大透磁率 μ m の 2 つの値によって特徴付けられます。 強い磁場の領域では、磁場の増加とともに透磁率が減少します。 外部磁場がさらに増加すると、サンプルの磁化はほとんど変化せず、磁気誘導は外部磁場によってのみ増加します。 .
図 38 初期磁化曲線
図 39 透磁率の磁場強度依存性
磁気誘導飽和 BS主に～に依存する 化学組成構造用鋼と電磁鋼板の両方の材料は 1.6 ～ 2.1 T です。 透磁率は化学組成だけでなく、熱的および機械的処理にも依存します。
.
図 40 限界 (1) および部分 (2) ヒステリシス ループ
保磁力の大きさに基づいて、磁性材料は軟磁性材料（H c< 5 000 А/м) и магнитотвердые (H c >5,000A/分）。
軟磁性材料は飽和に達するために比較的低い磁場を必要とします。 硬磁性材料は磁化や再磁化が困難です。
ほとんどの構造用鋼は軟磁性材料です。 電磁鋼および特殊合金の保磁力は 1 ～ 100 A/m、構造用鋼の場合は 5,000 A/m 以下です。 永久磁石アタッチメントには硬磁性材料が使用されています。
磁化反転中、材料は再び飽和しますが、誘導値の符号は異なります (- BS)、負の磁場強度に対応します。 その後、磁場強度が正の値に向かって増加すると、誘導はループの上昇分岐と呼ばれる別の曲線に沿って変化します。 下降と上昇の両方の分岐は、磁気ヒステリシスのリミット ループと呼ばれる閉曲線を形成します。 リミットループは対称形状をしており、以下に対応します。 最大値磁気誘導が等しい BS。 より小さな制限内で磁場強度が対称的に変化すると、誘導は新しいループに沿って変化します。 このループは完全にリミット ループの内側に位置しており、対称部分ループと呼ばれます (図 40)。
制限磁気ヒステリシスループプレイのパラメータ 重要な役割フラックスゲート制御付き。 で 高い値残留誘導と保磁力は、部品の材料を飽和するまで事前に磁化し、その後磁界源をオフにすることで監視できます。 部品の磁化は欠陥を検出するのに十分です。
同時に、ヒステリシス現象により磁気状態を制御する必要が生じます。 消磁がない場合、部品の材料は誘導に対応する状態になる可能性があります。 B r 。次に、たとえば次のような正極性の磁場をオンにします。 HC、パーツを磁化することになっていますが、パーツを消磁することもできます。
重要透磁性もあります。 もっと μ 、部品を磁化するために必要な磁界強度の値が低くなります。 したがって、磁化装置の技術パラメータは、試験対象物の磁気パラメータと一致していなければなりません。
10.4 欠陥散乱磁場
欠陥部品の磁界には独自の特性があります。 狭いスロットを備えた磁化された鋼のリング（部品）を考えてみましょう。 このギャップは部品の欠陥とみなされる可能性があります。 磁性粉末を振りかけた紙でリングを覆うと、図 35 に示すような写真が表示されます。紙はリングの外側にあり、その間、粉末粒子は一定の線に沿って整列します。 したがって、磁力線は部分的に部品の外側を通過し、欠陥の周りを流れます。 磁場のこの部分は欠陥の漏れ磁場と呼ばれます。
図 41 は、磁力線に対して垂直に位置する部品内の長い亀裂と、欠陥付近の力線のパターンを示しています。
図 41 表面亀裂周囲の力線の流れ
磁力線が部品の内側と外側の亀裂の周りを流れることがわかります。 表面下の欠陥による漂遊磁界の形成は、磁化された部分の断面を示す図 42 を使用して説明できます。 磁気誘導力線は、断面の 3 つのセクション (欠陥の上、欠陥ゾーン内、欠陥の下) のいずれかに属します。 磁気誘導と断面積の積によって磁束が決まります。 これらのセクションの全磁束の成分は次のように指定されます。 Φ1、..、磁束の一部 F2、セクションの上下に流れます S2。 したがって、各部の磁束は S1そして S3欠陥のない部品よりも大きくなります。 磁気誘導についても同じことが言えます。 別の 重要な機能磁気誘導力線は、欠陥の上下の曲率です。 その結果、磁力線の一部が部品から離れ、欠陥の磁気散乱場が形成されます。
3 .
図 42 表面下の欠陥の散乱場
漏れ磁界は、部品から出る磁束 (漏れ磁束と呼ばれます) によって定量化できます。 磁束が大きいほど漏れ磁束も大きくなります Φ2断面で S2。 断面積 S2角度の余弦に比例します , 図 42 に示します。 = 90° ではこの領域はゼロであり、 ではこの領域はゼロになります。 =0° それが最も重要です。
したがって、欠陥を特定するには、部品の検査ゾーン内の磁気誘導線が欠陥の疑いのある面に対して垂直である必要があります。
欠陥部品の断面における磁束の分布は、障害物のある水路内の水流の分布に似ています。 完全に水没した障害物のゾーンの波の高さは、障害物の頂上が水面に近づくほど大きくなります。 同様に、部品の表面下の欠陥は、その発生深さが浅いほど検出しやすくなります。
10.5 欠陥の検出
欠陥を検出するには、欠陥の散乱場の特性を決定できるデバイスが必要です。 この磁場はその成分によって決定できます N x、N y、N z。
ただし、漂遊磁界は欠陥だけでなく、金属の構造的不均一性、断面の急激な変化などの他の要因によっても発生する可能性があります。 複雑な形状), 機械加工、衝撃、表面粗さなど。したがって、たとえ 1 つの投影であっても依存性を解析する必要があります (たとえば、 Hz) 空間座標 ( バツまたは y）は難しい作業になる可能性があります。
欠陥付近の漂遊磁場を考えてみましょう (図 43)。 ここに示されているのは、滑らかなエッジを持つ理想的な無限に長い亀裂です。 軸に沿って細長いです y、図では私たちに向けられています。 番号 1、2、3、4 は、亀裂に左から近づいたときに磁場強度ベクトルの大きさと方向がどのように変化するかを示しています。
図 43 欠陥付近の漂遊磁界
磁場は部品の表面から一定の距離で測定されます。 測定が行われる軌跡が点線で示されています。 亀裂の右側のベクトルの大きさと方向は、同様の方法で (または図の対称性を使用して) 構築できます。 散乱フィールドの画像の右側には、ベクトルの空間位置の例が示されています。 H とその 2 つのコンポーネント 高さ× そして Hz 。 射影依存関係グラフ 高さ×そして Hz座標からの散乱場 バツ下に示された。
H x の極値または H z のゼロを探すことによって欠陥を見つけることができるように思えます。 しかし、上で述べたように、漂遊磁界は欠陥だけでなく、金属の構造的不均質性や機械的影響の痕跡などからも形成されます。
図 41 に示したものと同様の単純な部品上の漂遊磁場の形成の簡略化した図 (図 44) と投影依存性のグラフを考えてみましょう。 Hz 、H x座標から バツ(欠陥は軸に沿って拡張されます) y).
依存関係グラフによると 高さ×そして Hzから バツ極値の値が異なるため、欠陥を検出することは非常に困難です。 高さ×そして Hz欠陥と不均質性は比例します。
欠陥の領域で次のことが判明したときに解決策が見つかりました。 最大速度ある座標の磁場強度の変化（傾き）が他の最大値よりも大きい。
図 44 は、グラフの最大傾きが Hz(x)点の間 ×1そして ×2（つまり、欠陥がある領域で）他の場所よりもはるかに大きくなります。
したがって、デバイスは電界強度の投影ではなく、その変化の「速度」を測定する必要があります。 部品の表面上の隣接する 2 つの点における投影の差と、これらの点の間の距離との比:
(10.5)
どこ Hz（×1）、Hz（×2）- ベクトル投影値 H 軸ごと z点で ×1、×2(欠陥の左右)、 Gz(x)は一般に磁場強度勾配と呼ばれます。
依存症 Gz(x)図 44 に示します。距離 Dx = x 2 – x 1ベクトルの投影が測定される点の間 H 軸ごと z、欠陥の散乱場のサイズを考慮して選択されます。
図 44 からわかるように、これは実際の状況とよく一致していますが、欠陥の上の勾配の値は、部品の金属の不均一性の上の勾配の値よりも大幅に大きくなります。 これにより、勾配がしきい値を超えたときに欠陥を確実に登録することが可能になります (図 44)。
必要なしきい値を選択することで、制御誤差を最小限に抑えることができます。
図 44 欠陥の磁力線と部品の金属の不均一性。
10.6 フラックスゲート法
フラックスゲート法は、磁化された製品の欠陥によって生じる漂遊磁界強度の勾配をフラックスゲートデバイスで測定し、測定結果をしきい値と比較することに基づいています。
制御された部分の外側には、それを磁化するために生成される特定の磁場があります。 探傷器であるグラジオメーターを使用すると、欠陥によって引き起こされる信号が、空間内でゆっくりと変化する磁場強度のかなり大きな成分の背景から確実に分離されます。
フラックスゲート探傷器は、部品の表面上の磁場強度の法線成分の勾配成分に応答するトランスデューサーを使用します。 探傷トランスデューサには、特殊な軟磁性合金で作られた 2 本の平行なロッドが含まれています。 テスト時、ロッドは部品の表面に対して垂直になります。 磁場の強さの法線成分に平行です。 ロッドには同一の巻線があり、交流が流れます。 これらの巻線は直列に接続されています。 交流はロッド内に磁場強度の交流成分を生成します。 これらの成分は大きさと方向が一致します。 さらに、各ロッドの位置における部品の磁場強度には一定の成分が存在します。 マグニチュード Δx式 (10.5) に含まれる は、ロッドの軸間の距離に等しく、トランスデューサのベースと呼ばれます。 コンバータの出力電圧は、巻線間の交流電圧の差によって決まります。
欠陥のない部品の領域に探傷トランスデューサを配置しましょう。各点の磁界強度の値は次のとおりです。 ×1; ×2(式(10.5)を参照)も同じです。 これは、磁場強度勾配がゼロであることを意味します。 次に、磁場強度の同じ一定の交互成分が各コンバーターロッドに作用します。 これらのコンポーネントはロッドを均等に再磁化するため、巻線の電圧は互いに等しくなります。 出力信号を決定する電圧差はゼロです。 したがって、勾配がない場合、探傷トランスデューサは磁場に応答しません。
磁場の強さの勾配がゼロでない場合、ロッドは同じ交流磁場の中にありますが、定数成分は異なります。 各ロッドは磁気誘導のある状態から巻線の交流により再磁化され、 Sで+に Sで電磁誘導の法則によれば、磁気誘導が変化した場合にのみ巻線に電圧が現れます。 したがって、交流振動の期間は、ロッドが飽和状態にあり、したがって巻線の電圧がゼロである期間と、飽和がなく、したがって電圧が異なる期間に分けることができます。ゼロから。 両方のロッドが飽和するまで磁化されていない期間中、巻線には等しい電圧が発生します。 このとき、出力信号はゼロになります。 巻線に電圧がないときに両方のロッドが同時に飽和した場合にも、同じことが起こります。 出力電圧は、一方のコアが飽和状態、もう一方のコアが不飽和状態のときに現れます。
磁場強度の一定成分と変動成分が同時に影響するため、各コアは 1 つの飽和状態に 2 年以上続くという事実が生じます。 長い間他のものよりも。 より長い飽和は磁場強度の定数成分と可変成分の加算に対応し、より短い飽和は減算に対応します。 磁気誘導+の値に対応する時間間隔の差 Sでそして - Sで、一定磁場の強さに依存します。 磁気誘導+がある状態を考える Sで 2本のトランスデューサロッドで。 点ごとの磁場強度の値が不均一 ×1そして ×2は、ロッドの磁気飽和の間隔の異なる持続時間に対応します。 これらの磁場の強さの差が大きければ大きいほど、時間間隔の差も大きくなります。 一方のロッドが飽和し、もう一方のロッドが飽和していない期間中に、コンバータの出力電圧が発生します。 この電圧は磁場の強さの勾配に依存します。
2 つの平行な導体を電流に接続すると、接続された電流の方向 (極性) に応じて、導体は引き付けられるか反発します。 これは、これらの導体の周囲に特殊な種類の物質が出現する現象によって説明されます。 この物質を磁場（MF）といいます。 磁力は導体が互いに作用する力です。
磁気理論は、古代、アジアの古代文明の中で生まれました。 彼らはマグネシアの山で、その破片が互いに引き付け合う特別な岩を見つけました。 地名からこの岩は「磁性」と呼ばれていました。 棒磁石には 2 つの極が含まれています。 その磁気特性は特に極で顕著です。
糸にぶら下がった磁石は、その極のある地平線の側面を示します。 その極は北と南に変わるでしょう。 コンパス装置はこの原理に基づいて動作します。 2 つの磁石の反対極は引き付けられ、同じ極は反発します。
科学者は、導体の近くにある磁化された針が、電流が流れると偏向されることを発見しました。 これは、周囲にMPが形成されていることを示しています。
磁場は次のような影響を与えます。
移動する電気料金。
強磁性体と呼ばれる物質：鉄、鋳鉄、およびそれらの合金。
永久磁石は、荷電粒子 (電子) の共通の磁気モーメントを持つ物体です。
1 — 南極磁石
2 - 磁石の北極
3 - 金属やすりの例を使用した MP
4 - 磁場の方向
鉄やすりの層が注がれた紙シートに永久磁石が近づくと、力線が現れます。 この図は、方向を向いた力線を持つ極の位置を明確に示しています。
磁場発生源
- 時間の経過とともに変化する電界。
- 携帯料金。
- 永久磁石。
私たちは子供の頃から永久磁石に慣れ親しんでいます。 さまざまな金属部品を引き寄せるおもちゃとして使用されていました。 冷蔵庫に取り付けられたり、さまざまなおもちゃに組み込まれたりしました。
運動している電荷は、ほとんどの場合、永久磁石と比較してより多くの磁気エネルギーを持っています。
プロパティ
- 主要 特徴そして磁場の性質は相対性理論です。 帯電した物体を特定の座標系内で動かずに放置し、近くに磁針を置くと、磁針は北を指し、同時に地球の磁場を除いて無関係な磁場を「感じ」なくなります。 。 そして、矢印の近くでチャージされたボディを動かし始めると、ボディの周囲にMPが表示されます。 その結果、ある電荷が移動した場合にのみMFが形成されることが判明した。
- 磁場は電流に影響を与え、影響を与える可能性があります。 荷電電子の動きを監視することで検出できます。 磁場の中では、電荷を持った粒子が偏向され、電流が流れる導体が動きます。 電流源が接続されたフレームが回転し始め、磁化された物質が一定の距離を移動します。 コンパスの針はほとんどの場合色付きです 青色。 磁性を帯びた鋼板です。 地球には磁場があるため、コンパスは常に北を指します。 惑星全体は、それぞれの極を持つ大きな磁石のようなものです。
磁場は人間の器官では感知されず、特別な装置とセンサーによってのみ検出できます。 可変タイプと永続タイプがあります。 交流磁場は通常、交流で動作する特別なインダクタによって生成されます。 一定の電場は一定の電場によって形成されます。
ルール
さまざまな導体の磁場を表現するための基本的なルールを考えてみましょう。
ギムレットルール
力線は、電流の経路に対して 90°の角度で配置された平面に描かれているため、各点で力は線の接線方向に向けられます。
磁力の方向を決定するには、右ネジのギムレットの法則を覚えておく必要があります。
ギムレットは現在のベクトルと同じ軸に沿って配置する必要があり、ギムレットがその方向に移動するようにハンドルを回転する必要があります。 この場合、線の方向はギムレット ハンドルを回転することによって決定されます。
リングギムレットのルール
リング状に作られた導体の中でのギムレットの並進運動は、誘導がどのように配向されているかを示し、回転は電流の流れと一致します。
力線は磁石の内部で継続しており、開くことはできません。
磁場 さまざまな情報源相互に合計されます。 そうすることで、共通のフィールドが作成されます。
同じ極の磁石は反発し、異なる極の磁石は引き付けます。 相互作用の強さの値はそれらの間の距離に依存します。 極が近づくにつれて、力は増大します。
磁場パラメータ
- フローカップリング ( Ψ ).
- 磁気誘導ベクトル ( で).
- 磁束 ( F).
磁場の強度は、力 F に依存する磁気誘導ベクトルのサイズによって計算され、長さの導体に沿った電流 I によって形成されます。 l: B = F / (I * l).
磁気誘導は、磁気現象を研究し、その計算方法に取り組んだ科学者に敬意を表して、テスラ (T) で測定されます。 1Tは磁束誘導力に等しい 1N長々と 1m斜めの直線導体 90 0 1 アンペアの電流が流れる場合、磁界の方向に:
1 T = 1 x H / (A x m)。
左手の法則
このルールは磁気誘導ベクトルの方向を見つけます。
磁力線が90°のN極から手のひらに入るように左手の手のひらを磁場に置き、4本の指を電流の流れに沿って置くと、 親指磁力の方向を示します。
導体が異なる角度にある場合、力は電流と導体の平面への直角の投影に直接依存します。
力は導体材料の種類や断面積には依存しません。 導体がなく、電荷が別の媒体中を移動する場合、力は変化しません。
磁場ベクトルが 1 つの大きさの一方向に向いている場合、その磁場は均一であると呼ばれます。 環境の違いは誘導ベクトルのサイズに影響します。
磁束
ある領域 S を通過し、この領域によって制限される磁気誘導が磁束です。
領域が誘導線に対してある角度 α で傾斜している場合、磁束はこの角度の余弦の大きさだけ減少します。 その最大値は、その領域が磁気誘導に対して直角であるときに形成されます。
F = B * S。
磁束は次のような単位で測定されます。 「ウェーバー」、これはマグニチュードの誘導の流れに等しい 1T地域別 1平方メートル.
磁束鎖交
このコンセプトは、 一般的な意味磁束。磁極間にある特定の数の導体から生成されます。
同じ電流の場合 私が巻数 n の巻線を流れる場合、すべての巻数によって形成される磁束の合計が鎖交磁束となります。
磁束鎖交 Ψ ウェーバー単位で測定され、次と等しくなります。 Ψ = n * Ф.
磁気特性
透磁率は、特定の媒体内の磁場が真空内の磁場誘導よりどの程度低いか高いかを決定します。 物質がそれ自身の磁場を生成する場合、その物質は磁化されていると呼ばれます。 物質が磁場の中に置かれると、磁化されます。
科学者たちは、物体が磁気特性を獲得する理由を突き止めました。 科学者の仮説によると、内部には物質が存在します 電流顕微鏡サイズ。 電子は量子的な性質を持つ独自の磁気モーメントを持ち、原子内で特定の軌道に沿って移動します。 磁気特性を決定するのはこれらの小さな電流です。
電流がランダムに移動する場合、電流によって発生する磁場は自己補償されます。 外部磁場により電流が規則正しくなり、磁場が形成されます。 これが物質の磁化です。
さまざまな物質は、磁場との相互作用の特性に応じて分類できます。
それらは次のグループに分類されます。
常磁性体– 外部磁場の方向に磁化特性を持ち、磁性の可能性が低い物質。 彼らは正の場の強さを持っています。 このような物質には、塩化第二鉄、マンガン、白金などが含まれます。
フェリ磁石– 磁気モーメントの方向と値のバランスが崩れている物質。 それらは、補償されていない反強磁性の存在によって特徴付けられます。 磁場の強さと温度は、それらの磁化率に影響します (さまざまな酸化物)。
強磁性体– 張力と温度に応じて正の感受性が増加する物質 (コバルト、ニッケルなどの結晶)。
反磁性体– 外部磁場の反対方向に磁化する性質を持っています。つまり、 否定的な意味磁化率は張力に依存しません。 磁場が存在しない場合、この物質は磁気特性を持ちません。 これらの物質には、銀、ビスマス、窒素、亜鉛、水素、その他の物質が含まれます。
反強磁性体
– 磁気モーメントのバランスが取れており、その結果、物質の磁化の程度が低くなります。 加熱すると物質の相転移が起こり、その間に常磁性が現れます。 温度が一定以下に下がると、そのような性質が現れなくなります（クロム、マンガン）。
考慮される磁石は、さらに 2 つのカテゴリにも分類されます。
軟磁性材料
。 保磁力が低いです。 低電力の磁場では飽和する可能性があります。 磁化反転プロセス中に、わずかな損失が発生します。 その結果、そのような材料は、交流電圧で動作する電気機器（発電機）のコアの製造に使用されます。
硬磁性材料。 保磁力が増加します。 それらを再磁化するには、強力な磁場が必要です。 このような材料は永久磁石の製造に使用されます。
磁気特性 さまざまな物質用途を見つける 技術プロジェクトそして発明。
磁気回路
いくつかの磁性体の組み合わせを磁気回路といいます。 それらは似ており、同様の数学法則によって決定されます。
電気機器やインダクタンスなどは磁気回路に基づいて動作します。 機能する電磁石では、磁束は強磁性材料と強磁性ではない空気で作られた磁気回路を流れます。 これらのコンポーネントの組み合わせが磁気回路です。 多くの電気機器の設計には磁気回路が含まれています。