Linee del campo magnetico. Teoria del campo magnetico e fatti interessanti sul campo magnetico terrestre
Senza dubbio, le linee del campo magnetico sono ormai note a tutti. Almeno a scuola, la loro manifestazione è dimostrata nelle lezioni di fisica. Ricordate come l'insegnante ha posizionato un magnete permanente (o anche due, combinando l'orientamento dei loro poli) sotto un foglio di carta e sopra ha versato la limatura metallica prelevata dall'aula di formazione al lavoro? È abbastanza chiaro che il metallo doveva essere tenuto sul foglio, ma si è osservato qualcosa di strano: le linee lungo le quali era allineata la segatura erano chiaramente visibili. Nota: non in modo uniforme, ma a strisce. Queste sono le linee del campo magnetico. O meglio, la loro manifestazione. Cosa è successo allora e come si può spiegare?
Partiamo da lontano. Nel mondo fisico visibile coesiste con noi un tipo speciale di materia: un campo magnetico. Assicura l'interazione di particelle elementari in movimento o corpi più grandi che hanno una carica elettrica o una carica elettrica naturale e non solo sono interconnessi tra loro, ma spesso si generano anche da soli. Ad esempio, un filo attraverso il quale scorre la corrente elettrica crea linee di campo magnetico attorno a sé. È vero anche il contrario: l'effetto dei campi magnetici alternati su un circuito conduttivo chiuso crea movimento di portatori di carica al suo interno. Quest'ultima proprietà viene utilizzata nei generatori che forniscono energia elettrica a tutti i consumatori. Un esempio lampante di campi elettromagnetici è la luce.
Le linee del campo magnetico attorno al conduttore ruotano o, il che è anche vero, sono caratterizzate da un vettore direzionale di induzione magnetica. Il senso di rotazione è determinato dalla regola del succhiello. Le linee indicate sono una convenzione, poiché il campo si estende uniformemente in tutte le direzioni. Il fatto è che può essere rappresentato sotto forma di un numero infinito di linee, alcune delle quali hanno una tensione più pronunciata. Ecco perché nella segatura sono chiaramente visibili alcune “linee”. È interessante notare che le linee del campo magnetico non vengono mai interrotte, quindi è impossibile dire in modo inequivocabile dove sia l'inizio e dove sia la fine.
Nel caso di un magnete permanente (o di un elettromagnete simile), ci sono sempre due poli, convenzionalmente chiamati Nord e Sud. Le linee menzionate in questo caso sono anelli e ovali che collegano entrambi i poli. A volte questo viene descritto in termini di monopoli interagenti, ma poi sorge una contraddizione secondo la quale i monopoli non possono essere separati. Cioè, qualsiasi tentativo di dividere un magnete comporterà la comparsa di diverse parti bipolari.
Le proprietà delle linee di campo sono di grande interesse. Abbiamo già parlato di continuità, ma di interesse pratico è la capacità di creare una corrente elettrica in un conduttore. Il significato di ciò è il seguente: se il contorno conduttivo è attraversato da linee (o il conduttore stesso si muove in un campo magnetico), allora viene impartita ulteriore energia agli elettroni nelle orbite esterne degli atomi del materiale, consentendo loro di iniziare il movimento diretto indipendente. Possiamo dire che il campo magnetico sembra “espellere” le particelle cariche dal reticolo cristallino. Questo fenomeno è chiamato induzione elettromagnetica ed è attualmente la principale via per ottenere energia elettrica primaria. Fu scoperto sperimentalmente nel 1831 dal fisico inglese Michael Faraday.
Lo studio dei campi magnetici iniziò nel 1269, quando P. Peregrinus scoprì l'interazione di un magnete sferico con aghi d'acciaio. Quasi 300 anni dopo, W. G. Colchester suggerì di essere lui stesso un enorme magnete con due poli. Inoltre, i fenomeni magnetici furono studiati da scienziati famosi come Lorentz, Maxwell, Ampere, Einstein, ecc.
Un campo magnetico - energia campo , agendo sulle cariche elettriche in movimento e sui corpi con magnetico momento, indipendentemente dallo stato del loro movimento;magnetico componente elettromagnetico campi .
Le linee del campo magnetico sono linee immaginarie, le cui tangenti in ciascun punto del campo coincidono in direzione con il vettore di induzione magnetica.
Per un campo magnetico vale il principio di sovrapposizione: in ogni punto dello spazio il vettore di induzione magnetica B∑ → B∑→creato a questo punto da tutte le sorgenti di campi magnetici è uguale alla somma vettoriale dei vettori di induzione magnetica Bk→ Bk→creato a questo punto da tutte le sorgenti di campi magnetici:
28. Legge Biot-Savart-Laplace. Legge della corrente totale.
La formulazione della legge di Biot-Savart-Laplace è la seguente: Quando una corrente continua passa attraverso un circuito chiuso situato nel vuoto, per un punto situato a una distanza r0 dal circuito, l'induzione magnetica avrà la forma.
dove I è la corrente nel circuito
contorno gamma lungo il quale avviene l'integrazione
r0 punto arbitrario
Legge attuale totale Questa è la legge che collega la circolazione del vettore dell'intensità del campo magnetico e della corrente.
La circolazione del vettore dell'intensità del campo magnetico lungo il circuito è pari alla somma algebrica delle correnti percorse da questo circuito.
29. Campo magnetico di un conduttore percorso da corrente. Momento magnetico della corrente circolare.
30. L'effetto di un campo magnetico su un conduttore percorso da corrente. Legge di Ampere. Interazione delle correnti .
F = B I l sinα ,
Dove α - l'angolo tra l'induzione magnetica e i vettori di corrente,B - induzione del campo magnetico,IO - intensità di corrente nel conduttore,l - lunghezza del conduttore.
Interazione delle correnti. Se due fili sono collegati a un circuito CC, allora: Conduttori paralleli e ravvicinati collegati in serie si respingono. I conduttori collegati in parallelo si attraggono.
31. L'effetto dei campi elettrici e magnetici su una carica in movimento. Forza di Lorentz.
Forza di Lorentz - forza, con quale campo elettromagnetico secondo il classico (non quantistico) elettrodinamica agisce su punto addebitato particella. A volte la forza di Lorentz è chiamata la forza che agisce su un oggetto in movimento con velocità carica solo dall'esterno campo magnetico, spesso a piena potenza - dal campo elettromagnetico in generale , in altre parole, dall'esterno elettrico E magnetico campi.
32. L'effetto di un campo magnetico sulla materia. Dia-, para- e ferromagneti. Isteresi magnetica.
B= B 0 + B 1
Dove B⃗ B→ - induzione di campi magnetici nella materia; B⃗ 0 B→0 - induzione del campo magnetico nel vuoto, B⃗ 1 B→1 - induzione magnetica del campo derivante dalla magnetizzazione della sostanza.
Sostanze per le quali la permeabilità magnetica è leggermente inferiore all'unità (μ< 1), называются materiali diamagnetici, leggermente maggiore dell'unità (μ > 1) - paramagnetico.
ferromagnete - sostanza o materiale in cui si osserva un fenomeno ferromagnetismo, cioè la comparsa di magnetizzazione spontanea ad una temperatura inferiore alla temperatura di Curie.
Magnetico isteresi - fenomeno dipendenze vettore magnetizzazione E vettore forza magnetica campi V sostanza Non soltanto da allegato esterno campi, Ma E da sfondo di questo campione
Linee del campo magnetico
I campi magnetici, proprio come quelli elettrici, possono essere rappresentati graficamente utilizzando linee di forza. Una linea del campo magnetico, o linea di induzione del campo magnetico, è una linea la cui tangente in ciascun punto coincide con la direzione del vettore di induzione del campo magnetico.
 |  |
|
| UN) | B) | V) |
Riso. 1.2. Linee del campo magnetico in corrente continua (a),
corrente circolare (b), solenoide (c)
Le linee di forza magnetiche, come le linee elettriche, non si intersecano. Sono disegnati con una densità tale che il numero di linee che attraversano una superficie unitaria perpendicolare ad esse è uguale (o proporzionale a) all'entità dell'induzione magnetica del campo magnetico in una data posizione.
Nella fig. 1.2, UN Vengono mostrate le linee di campo della corrente continua, che sono cerchi concentrici, il cui centro si trova sull'asse della corrente, e la direzione è determinata dalla regola della vite destra (la corrente nel conduttore è diretta verso il lettore).
Le linee di induzione magnetica possono essere “rivelate” utilizzando limatura di ferro, che si magnetizza nel campo studiato e si comporta come piccoli aghi magnetici. Nella fig. 1.2, B vengono mostrate le linee del campo magnetico della corrente circolare. Il campo magnetico del solenoide è mostrato in Fig. 1.2, V.
Le linee del campo magnetico sono chiuse. Vengono chiamati campi con linee di forza chiuse campi di vortici. È ovvio che il campo magnetico è un campo a vortice. Questa è la differenza significativa tra un campo magnetico e uno elettrostatico.
In un campo elettrostatico le linee di forza sono sempre aperte: iniziano e finiscono in corrispondenza delle cariche elettriche. Le linee di forza magnetiche non hanno né inizio né fine. Ciò corrisponde al fatto che in natura non esistono cariche magnetiche.
1.4. Legge di Biot-Savart-Laplace
I fisici francesi J. Biot e F. Savard condussero uno studio nel 1820 sui campi magnetici creati da correnti che fluiscono attraverso fili sottili di varie forme. Laplace analizzò i dati sperimentali ottenuti da Biot e Savart e stabilì una relazione che fu chiamata legge Biot-Savart-Laplace.
Secondo questa legge, l'induzione del campo magnetico di qualsiasi corrente può essere calcolata come somma vettoriale (sovrapposizione) delle induzioni del campo magnetico create dalle singole sezioni elementari della corrente. Per l'induzione magnetica del campo creato da un elemento di corrente di lunghezza , Laplace ottenne la formula:
, (1.3)
dove è un vettore, modulo uguale alla lunghezza dell'elemento conduttore e coincidente nella direzione con la corrente (Fig. 1.3); – raggio vettore tracciato dall'elemento al punto in cui viene determinato; – modulo del raggio vettore.
Argomenti del codificatore dell'Esame di Stato Unificato: interazione dei magneti, campo magnetico di un conduttore con la corrente.
Le proprietà magnetiche della materia sono note alle persone da molto tempo. I magneti prendono il nome dall'antica città di Magnesia: nelle sue vicinanze c'era un minerale comune (in seguito chiamato minerale di ferro magnetico o magnetite), pezzi del quale attraevano oggetti di ferro.
Interazione del magnete
Su due lati di ciascun magnete ci sono Polo Nord E Polo Sud. Due magneti sono attratti l'uno dall'altro da poli opposti e respinti da poli simili. I magneti possono agire l'uno sull'altro anche attraverso il vuoto! Tutto ciò ricorda però l'interazione delle cariche elettriche l'interazione dei magneti non è elettrica. Ciò è evidenziato dai seguenti fatti sperimentali.
La forza magnetica si indebolisce quando il magnete si riscalda. La forza dell'interazione delle cariche puntiformi non dipende dalla loro temperatura.
La forza magnetica si indebolisce se il magnete viene scosso. Niente di simile accade con i corpi elettricamente carichi.
Le cariche elettriche positive possono essere separate da quelle negative (ad esempio, quando si elettrizzano i corpi). Ma è impossibile separare i poli di un magnete: se si taglia un magnete in due parti, nel punto di taglio compaiono anche dei poli e il magnete si divide in due magneti con poli opposti alle estremità (orientati esattamente nello stesso modo come i poli del magnete originale).
Quindi magneti Sempre bipolari, esistono solo nella forma dipoli. Poli magnetici isolati (detti monopoli magnetici- analoghi della carica elettrica) non esistono in natura (in ogni caso non sono stati ancora scoperti sperimentalmente). Questa è forse l’asimmetria più sorprendente tra elettricità e magnetismo.
Come i corpi elettricamente carichi, i magneti agiscono sulle cariche elettriche. Tuttavia, il magnete agisce solo su in movimento carica; se la carica è a riposo rispetto al magnete, non si osserva l'effetto della forza magnetica sulla carica. Al contrario, un corpo elettrizzato agisce con qualsiasi carica, indipendentemente dal fatto che sia in riposo o in movimento.
Secondo i moderni concetti della teoria a corto raggio, l'interazione dei magneti viene effettuata attraverso campo magnetico Vale a dire, un magnete crea un campo magnetico nello spazio circostante, che agisce su un altro magnete e provoca un'attrazione o repulsione visibile di questi magneti.
Un esempio di magnete è ago magnetico bussola. Utilizzando un ago magnetico, puoi giudicare la presenza di un campo magnetico in una determinata regione dello spazio, nonché la direzione del campo.
Il nostro pianeta Terra è un magnete gigante. Non lontano dal polo nord geografico della Terra si trova il polo sud magnetico. Pertanto, l'estremità nord dell'ago della bussola, ruotando verso il polo sud magnetico della Terra, punta al nord geografico. Da qui deriva il nome “polo nord” di un magnete.
Linee del campo magnetico
Il campo elettrico, ricordiamo, viene studiato utilizzando piccole cariche di prova, dall'effetto dal quale si può giudicare l'entità e la direzione del campo. L'analogo di una carica di prova nel caso di un campo magnetico è un piccolo ago magnetico.
Ad esempio, puoi ottenere informazioni geometriche sul campo magnetico posizionando aghi di bussola molto piccoli in diversi punti dello spazio. L'esperienza mostra che le frecce si allineeranno lungo determinate linee, le cosiddette linee del campo magnetico. Definiamo questo concetto nella forma dei tre punti seguenti.
1. Le linee del campo magnetico, o linee di forza magnetica, sono linee dirette nello spazio che hanno la seguente proprietà: un piccolo ago della bussola posto in ogni punto di tale linea è orientato tangente a questa linea.
2. La direzione della linea del campo magnetico è considerata la direzione delle estremità settentrionali degli aghi della bussola situati nei punti di questa linea.
3. Quanto più dense sono le linee, tanto più forte è il campo magnetico in una data regione dello spazio..
La limatura di ferro può fungere con successo da aghi per bussole: in un campo magnetico, piccole limature si magnetizzano e si comportano esattamente come aghi magnetici.
Quindi, versando limatura di ferro attorno a un magnete permanente, vedremo approssimativamente la seguente immagine delle linee del campo magnetico (Fig. 1).
Riso. 1. Campo magnetico permanente
Il polo nord di una calamita è indicato dal colore blu e dalla lettera ; il polo sud - in rosso e la lettera . Tieni presente che le linee di campo lasciano il polo nord del magnete ed entrano nel polo sud: infatti è verso il polo sud del magnete che sarà diretta l'estremità nord dell'ago della bussola.
L'esperienza di Oersted
Nonostante il fatto che i fenomeni elettrici e magnetici siano noti alle persone fin dall'antichità, per molto tempo non è stata osservata alcuna relazione tra loro. Per diversi secoli le ricerche sull'elettricità e sul magnetismo procedettero parallelamente e indipendentemente l'una dall'altra.
Il fatto notevole che i fenomeni elettrici e magnetici siano effettivamente correlati tra loro fu scoperto per la prima volta nel 1820, nel famoso esperimento di Oersted.
Lo schema dell'esperimento di Oersted è mostrato in Fig. 2 (immagine dal sito rt.mipt.ru). Sopra l'ago magnetico (e sono i poli nord e sud dell'ago) c'è un conduttore metallico collegato ad una sorgente di corrente. Se chiudi il circuito, la freccia gira perpendicolare al conduttore!
Questo semplice esperimento indicava direttamente la relazione tra elettricità e magnetismo. Gli esperimenti che seguirono l'esperimento di Oersted stabilirono fermamente il seguente schema: il campo magnetico è generato da correnti elettriche e agisce sulle correnti.
Riso. 2. Esperimento di Oersted
Lo schema delle linee del campo magnetico generato da un conduttore percorso da corrente dipende dalla forma del conduttore.
Campo magnetico di un filo rettilineo percorso da corrente
Le linee del campo magnetico di un filo rettilineo percorso da corrente sono cerchi concentrici. I centri di questi cerchi giacciono sul filo e i loro piani sono perpendicolari al filo (Fig. 3).
Riso. 3. Campo di un filo rettilineo con corrente
Esistono due regole alternative per determinare la direzione delle linee del campo magnetico diretto.
Regola in senso orario. Le linee del campo vanno in senso antiorario se guardi in modo che la corrente scorra verso di noi.
Regola della vite(O regola del succhiello, O regola del cavatappi- questo è qualcosa di più vicino a qualcuno ;-)). Le linee di campo vanno dove bisogna girare la vite (con filettatura normale destrorsa) in modo che si muova lungo la filettatura nella direzione della corrente.
Usa la regola più adatta a te. È meglio abituarsi alla regola del senso orario: poi vedrai di persona che è più universale e più facile da usare (e poi ricordala con gratitudine nel tuo primo anno, quando studi geometria analitica).
Nella fig. 3 è apparso qualcosa di nuovo: questo è un vettore chiamato induzione del campo magnetico, O induzione magnetica. Il vettore dell’induzione magnetica è analogo al vettore dell’intensità del campo elettrico: serve caratteristica di potenza campo magnetico, che determina la forza con cui il campo magnetico agisce sulle cariche in movimento.
Parleremo più avanti delle forze in un campo magnetico, ma per ora noteremo solo che l'intensità e la direzione del campo magnetico sono determinate dal vettore di induzione magnetica. In ogni punto dello spazio, il vettore è diretto nella stessa direzione dell'estremità settentrionale dell'ago della bussola posto in un dato punto, cioè tangente alla linea del campo nella direzione di questa linea. Si misura l'induzione magnetica Tesla(Tl).
Come per il campo elettrico, anche per l’induzione del campo magnetico vale quanto segue: principio di sovrapposizione. Sta nel fatto che le induzioni di campi magnetici creati in un dato punto da varie correnti si sommano vettorialmente e danno il vettore risultante di induzione magnetica:.
Campo magnetico di una bobina con corrente
Consideriamo una bobina circolare attraverso la quale circola una corrente continua. Non mostriamo la sorgente che crea la corrente nella figura.
L'immagine delle linee di campo della nostra orbita apparirà approssimativamente come segue (Fig. 4).
Riso. 4. Campo di una bobina con corrente
Sarà importante per noi poter determinare in quale semispazio (rispetto al piano della bobina) è diretto il campo magnetico. Ancora una volta abbiamo due regole alternative.
Regola in senso orario. Le linee di campo vanno lì, guardando da dove la corrente sembra circolare in senso antiorario.
Regola della vite. Le linee di campo vanno dove si sposterà la vite (con una normale filettatura destrorsa) se ruotata nella direzione della corrente.
Come si può vedere, la corrente e il campo cambiano i ruoli rispetto alla formulazione di queste regole per il caso della corrente continua.
Campo magnetico di una bobina di corrente
Bobina Funzionerà se avvolgi strettamente il filo, girando per girare, in una spirale sufficientemente lunga (Fig. 5 - immagine da en.wikipedia.org). La bobina può avere diverse decine, centinaia o addirittura migliaia di giri. Viene anche chiamata la bobina solenoide.
Riso. 5. Bobina (solenoide)
Il campo magnetico di un giro, come sappiamo, non sembra molto semplice. Campi? le singole spire della bobina si sovrappongono l'una all'altra e sembrerebbe che il risultato dovrebbe essere un'immagine molto confusa. Tuttavia, non è così: il campo di una lunga bobina ha una struttura inaspettatamente semplice (Fig. 6).
Riso. 6. campo corrente della bobina
In questa figura, la corrente nella bobina scorre in senso antiorario se vista da sinistra (questo accadrà se in Fig. 5 l'estremità destra della bobina è collegata al "più" della sorgente di corrente e l'estremità sinistra al " meno"). Vediamo che il campo magnetico della bobina ha due proprietà caratteristiche.
1. All'interno della bobina, lontano dai suoi bordi, si trova il campo magnetico omogeneo: in ogni punto il vettore di induzione magnetica è lo stesso in grandezza e direzione. Le linee di campo sono linee rette parallele; si piegano solo in prossimità dei bordi della bobina quando escono.
2. All'esterno della bobina il campo è prossimo allo zero. Più sono le spire della bobina, più debole è il campo esterno.
Si noti che una bobina infinitamente lunga non rilascia affatto il campo verso l'esterno: non c'è campo magnetico all'esterno della bobina. All'interno di una tale bobina il campo è uniforme ovunque.
Non ti ricorda niente? Una bobina è l’analogo “magnetico” di un condensatore. Ricordi che un condensatore crea al suo interno un campo elettrico uniforme, le cui linee si piegano solo vicino ai bordi delle piastre, e all'esterno del condensatore il campo è vicino allo zero; un condensatore con armature infinite non rilascia affatto il campo verso l'esterno, e il campo è uniforme ovunque al suo interno.
E ora l'osservazione principale. Si prega di confrontare l'immagine delle linee del campo magnetico all'esterno della bobina (Fig. 6) con le linee del campo magnetico in Fig. 1 . È la stessa cosa, no? E ora arriviamo alla domanda che probabilmente ti è venuta in mente da molto tempo: se un campo magnetico è generato da correnti e agisce sulle correnti, allora qual è la ragione della comparsa di un campo magnetico vicino a un magnete permanente? Dopotutto, questo magnete non sembra essere un conduttore di corrente!
L'ipotesi di Ampere. Correnti elementari
Inizialmente si pensava che l'interazione dei magneti fosse spiegata da speciali cariche magnetiche concentrate ai poli. Ma, a differenza dell’elettricità, nessuno poteva isolare la carica magnetica; dopo tutto, come abbiamo già detto, non era possibile ottenere separatamente i poli nord e sud di un magnete: in un magnete i poli sono sempre presenti a coppie.
I dubbi sulle cariche magnetiche furono aggravati dall'esperimento di Oersted, quando si scoprì che il campo magnetico è generato dalla corrente elettrica. Inoltre, si è scoperto che per qualsiasi magnete è possibile selezionare un conduttore con una corrente di configurazione appropriata, in modo tale che il campo di questo conduttore coincida con il campo del magnete.
Ampere ha avanzato un'ipotesi audace. Non ci sono cariche magnetiche. L'azione di un magnete è spiegata da correnti elettriche chiuse al suo interno.
Quali sono queste correnti? Questi correnti elementari circolare all'interno di atomi e molecole; sono associati al movimento degli elettroni lungo le orbite atomiche. Il campo magnetico di qualsiasi corpo è costituito dai campi magnetici di queste correnti elementari.
Le correnti elementari possono essere posizionate casualmente l'una rispetto all'altra. Allora i loro campi si annullano a vicenda e il corpo non mostra più proprietà magnetiche.
Ma se le correnti elementari sono disposte in modo coordinato, allora i loro campi, sommandosi, si rinforzano a vicenda. Il corpo diventa un magnete (Fig. 7; il campo magnetico sarà diretto verso di noi; anche il polo nord del magnete sarà diretto verso di noi).
Riso. 7. Correnti magnetiche elementari
L'ipotesi di Ampere sulle correnti elementari ha chiarito le proprietà dei magneti Il riscaldamento e lo scuotimento di un magnete distrugge l'ordine delle sue correnti elementari e le proprietà magnetiche si indeboliscono. L'inseparabilità dei poli del magnete è diventata evidente: nel punto in cui il magnete viene tagliato, si ottengono ai capi le stesse correnti elementari. La capacità di un corpo di magnetizzarsi in un campo magnetico è spiegata dall'allineamento coordinato di correnti elementari che “ruotano” correttamente (leggi sulla rotazione di una corrente circolare in un campo magnetico nella scheda successiva).
L'ipotesi di Ampere si è rivelata vera: l'ulteriore sviluppo della fisica lo ha dimostrato. Le idee sulle correnti elementari divennero parte integrante della teoria dell'atomo, sviluppata già nel XX secolo, quasi cento anni dopo la brillante ipotesi di Ampere.
UN CAMPO MAGNETICO. FONDAMENTI SUL CONTROLLO DEI CONDOTTI
Viviamo nel campo magnetico terrestre. Una manifestazione del campo magnetico è che l'ago della bussola magnetica punta costantemente verso nord. lo stesso risultato si può ottenere ponendo l'ago di una bussola magnetica tra i poli di un magnete permanente (Figura 34).
Figura 34 - Orientamento dell'ago magnetico vicino ai poli magnetici
Di solito uno dei poli di un magnete (sud) è indicato con la lettera S, altro - (settentrionale) - lettera N. La Figura 34 mostra due posizioni dell'ago magnetico. In ciascuna posizione i poli opposti della freccia e del magnete si attraggono. Pertanto, la direzione dell'ago della bussola è cambiata non appena lo abbiamo spostato dalla sua posizione 1 posizionare 2 . La ragione dell'attrazione del magnete e della rotazione della freccia è il campo magnetico. La rotazione della freccia mentre si sposta verso l'alto e verso destra mostra che la direzione del campo magnetico in diversi punti dello spazio non rimane invariata.
La Figura 35 mostra il risultato di un esperimento con polvere magnetica versata su un foglio di carta spessa, che si trova sopra i poli del magnete. Si può vedere che le particelle di polvere formano delle linee.
Le particelle di polvere che entrano in un campo magnetico si magnetizzano. Ogni particella ha un polo nord e un polo sud. Le particelle di polvere situate nelle vicinanze non solo ruotano nel campo magnetico, ma si attaccano anche l'una all'altra, allineandosi in linee. Queste linee sono solitamente chiamate linee del campo magnetico.
Figura 35 Disposizione delle particelle di polvere magnetica su un foglio di carta situato sopra i poli magnetici
Posizionando un ago magnetico vicino a tale linea, noterai che l'ago si trova tangenzialmente. In numeri 1 , 2 , 3 La Figura 35 mostra l'orientamento dell'ago magnetico nei punti corrispondenti. In prossimità dei poli la densità della polvere magnetica è maggiore che in altri punti della lamina. Ciò significa che l'entità del campo magnetico ha un valore massimo. Pertanto, il campo magnetico in ciascun punto è determinato dal valore della quantità che caratterizza il campo magnetico e dalla sua direzione. Tali quantità sono solitamente chiamate vettori.
Posizioniamo la parte in acciaio tra i poli del magnete (Figura 36). La direzione delle linee elettriche nella parte è mostrata dalle frecce. Nella parte appariranno anche linee di campo magnetico, solo che ce ne saranno molte di più che nell'aria.
Figura 36 Magnetizzazione di una parte di forma semplice
Il fatto è che la parte in acciaio contiene ferro, costituito da micromagneti chiamati domini. L'applicazione di un campo magnetizzante a una parte porta al fatto che iniziano ad orientarsi nella direzione di questo campo e lo rafforzano molte volte. Si può vedere che le linee del campo nella parte sono parallele tra loro, mentre il campo magnetico è costante. Un campo magnetico, caratterizzato da linee di forza rette e parallele tracciate con la stessa densità, è detto uniforme.
10.2 Grandezze magnetiche
La grandezza fisica più importante che caratterizza il campo magnetico è il vettore di induzione magnetica, che di solito viene indicato con la sigla IN. Per ogni grandezza fisica è consuetudine indicare la sua dimensione. Quindi, l'unità di corrente è Ampere (A), l'unità di induzione magnetica è Tesla (T). L'induzione magnetica nelle parti magnetizzate è solitamente compresa tra 0,1 e 2,0 Tesla.
Un ago magnetico posto in un campo magnetico uniforme ruoterà. Il momento della forza che lo ruota attorno al proprio asse è proporzionale all'induzione magnetica. L'induzione magnetica caratterizza anche il grado di magnetizzazione di un materiale. Le linee di forza mostrate nelle Figure 34, 35 caratterizzano il cambiamento dell'induzione magnetica nell'aria e nel materiale (parti).
L'induzione magnetica determina il campo magnetico in ogni punto dello spazio. Per caratterizzare il campo magnetico su una superficie (ad esempio, nel piano di sezione trasversale di una parte), viene utilizzata un'altra quantità fisica, chiamata flusso magnetico ed è denotata Φ.
Sia caratterizzata una parte uniformemente magnetizzata (Figura 36) dal valore dell'induzione magnetica IN, l'area della sezione trasversale della parte è uguale a S, quindi il flusso magnetico è determinato dalla formula:
L'unità del flusso magnetico è Weber (Wb).
Diamo un'occhiata a un esempio. L'induzione magnetica nella parte è 0,2 T, l'area della sezione trasversale è 0,01 m 2. Quindi il flusso magnetico è 0,002 Wb.
Poniamo una lunga sbarra di ferro cilindrica in un campo magnetico uniforme. Lascia che l'asse di simmetria dell'asta coincida con la direzione delle linee di forza. Quindi l'asta sarà magnetizzata uniformemente quasi ovunque. L'induzione magnetica nell'asta sarà molto maggiore che nell'aria. Rapporto di induzione magnetica in un materiale Bm all’induzione magnetica nell’aria Dentro dentro chiamata permeabilità magnetica:
μ=B m/B pollici. (10.2)
La permeabilità magnetica è una quantità adimensionale. Per diversi gradi di acciaio, la permeabilità magnetica varia da 200 a 5.000.
L'induzione magnetica dipende dalle proprietà del materiale, il che complica i calcoli tecnici dei processi magnetici. Pertanto è stata introdotta una quantità ausiliaria che non dipende dalle proprietà magnetiche del materiale. Si chiama vettore dell'intensità del campo magnetico ed è indicato con H. L'unità di intensità del campo magnetico è Ampere/metro (A/m). Durante i test magnetici non distruttivi delle parti, l'intensità del campo magnetico varia da 100 a 100.000 A/m.
Tra induzione magnetica Dentro dentro e l'intensità del campo magnetico N c'è una semplice relazione nell'aria:
V in =μ 0 H, (10.3)
Dove µ0 = 4π 10 –7 Henry/metro - costante magnetica.
L'intensità del campo magnetico e l'induzione magnetica nel materiale sono legate tra loro dalla relazione:
B=μμ0 H (10,4)
Intensità del campo magnetico N - vettore. Quando è necessario il test fluxgate per determinare le componenti di questo vettore sulla superficie della parte. Questi componenti possono essere determinati utilizzando la Figura 37. Qui la superficie della parte viene considerata come un piano xy, asse z perpendicolare a questo piano.
Nella Figura 1.4 dal vertice del vettore H una perpendicolare viene lasciata cadere su un piano x,y. Un vettore viene tracciato fino al punto di intersezione della perpendicolare e del piano dall'origine delle coordinate H che è chiamata componente tangenziale dell'intensità del campo magnetico del vettore H . Eliminazione delle perpendicolari dal vertice del vettore H sull'asse X E sì, definiamo le proiezioni Hx E Ehi vettore H. Proiezione H per asse z chiamata componente normale dell'intensità del campo magnetico Hn . Durante i test magnetici, vengono spesso misurate le componenti tangenziale e normale dell'intensità del campo magnetico.
Figura 37 Vettore dell'intensità del campo magnetico e sua proiezione sulla superficie del pezzo
10.3 Curva di magnetizzazione e ciclo di isteresi
Consideriamo la variazione dell'induzione magnetica di un materiale ferromagnetico inizialmente smagnetizzato con un graduale aumento dell'intensità del campo magnetico esterno. Un grafico che riflette questa dipendenza è mostrato nella Figura 38 ed è chiamato curva di magnetizzazione iniziale. Nella regione dei campi magnetici deboli, la pendenza di questa curva è relativamente piccola, quindi inizia ad aumentare, raggiungendo il valore massimo. A valori ancora più elevati di intensità del campo magnetico, la pendenza diminuisce in modo tale che la variazione dell'induzione magnetica con l'aumento del campo diventa insignificante: si verifica la saturazione magnetica, che è caratterizzata dalla grandezza B S. La Figura 39 mostra la dipendenza della permeabilità magnetica dall'intensità del campo magnetico. Questa dipendenza è caratterizzata da due valori: la permeabilità magnetica μ n iniziale e la permeabilità magnetica massima μ m. Nella regione di forti campi magnetici, la permeabilità diminuisce con l'aumentare del campo. Con un ulteriore aumento del campo magnetico esterno, la magnetizzazione del campione rimane praticamente invariata, e l'induzione magnetica aumenta solo per effetto del campo esterno .
Figura 38 Curva di magnetizzazione iniziale
Figura 39 Dipendenza della permeabilità dall'intensità del campo magnetico
Saturazione dell'induzione magnetica B S dipende principalmente dalla composizione chimica del materiale e per gli acciai strutturali ed elettrici è 1,6-2,1 T. La permeabilità magnetica dipende non solo dalla composizione chimica, ma anche dal trattamento termico e meccanico.
.
Figura 40 Cicli di isteresi limite (1) e parziale (2).
In base all'entità della forza coercitiva, i materiali magnetici sono suddivisi in materiali magnetici dolci (H c< 5 000 А/м) и магнитотвердые (H c >5.000 A/m).
I materiali magnetici morbidi richiedono campi relativamente bassi per raggiungere la saturazione. I materiali magnetici duri sono difficili da magnetizzare e rimagnetizzare.
La maggior parte degli acciai strutturali sono materiali magnetici morbidi. Per l'acciaio elettrico e le leghe speciali la forza coercitiva è compresa tra 1 e 100 A/m, per gli acciai strutturali non superiore a 5.000 A/m. Gli attacchi a magnete permanente utilizzano materiali magnetici duri.
Durante l’inversione della magnetizzazione il materiale è nuovamente saturo, ma il valore di induzione ha un segno diverso (– B S), corrispondente all'intensità del campo magnetico negativo. Con un successivo aumento dell'intensità del campo magnetico verso valori positivi, l'induzione cambierà lungo un'altra curva, chiamata ramo ascendente della spira. Entrambi i rami: discendente e ascendente, formano una curva chiusa chiamata anello limite dell'isteresi magnetica. L'anello limite ha forma simmetrica e corrisponde ad un valore massimo di induzione magnetica pari a B S. Con una variazione simmetrica dell'intensità del campo magnetico entro limiti più piccoli, l'induzione cambierà lungo un nuovo circuito. Questo anello si trova completamente all'interno dell'anello limite ed è chiamato anello parziale simmetrico (Figura 40).
I parametri del circuito di isteresi magnetica limitante svolgono un ruolo importante nel controllo del fluxgate. A valori elevati di induzione residua e forza coercitiva, è possibile effettuare il controllo premagnetizzando il materiale della parte fino alla saturazione e quindi spegnendo la sorgente di campo. La magnetizzazione del pezzo sarà sufficiente per rilevare i difetti.
Allo stesso tempo, il fenomeno dell'isteresi porta alla necessità di controllare lo stato magnetico. In assenza di smagnetizzazione, il materiale della parte può trovarsi in uno stato corrispondente all'induzione - Br. Quindi, accendendo un campo magnetico di polarità positiva, ad esempio, uguale a Hc, possiamo anche smagnetizzare la parte, anche se dovremmo magnetizzarla.
Anche la permeabilità magnetica è importante. Più μ , minore è il valore richiesto dell'intensità del campo magnetico per magnetizzare la parte. Pertanto, i parametri tecnici del dispositivo magnetizzante devono essere coerenti con i parametri magnetici dell'oggetto in prova.
10.4 Campo magnetico di diffusione dei difetti
Il campo magnetico di una parte difettosa ha le sue caratteristiche. Prendiamo un anello (parte) in acciaio magnetizzato con una fessura stretta. Questo spazio può essere considerato un difetto del pezzo. Se coprite l'anello con un foglio di carta cosparso di polvere magnetica, potrete vedere un'immagine simile a quella mostrata nella Figura 35. Il foglio di carta si trova all'esterno dell'anello, e nel frattempo le particelle di polvere si allineano lungo determinate linee. Pertanto, le linee del campo magnetico passano parzialmente all'esterno del pezzo, scorrendo attorno al difetto. Questa parte del campo magnetico è chiamata campo di dispersione del difetto.
La Figura 41 mostra una lunga fessura nella parte, situata perpendicolare alle linee del campo magnetico, e uno schema di linee di campo vicino al difetto.
Figura 41 Flusso delle linee di forza attorno ad una fessura superficiale
Si può vedere che le linee del campo magnetico scorrono attorno alla fessura all'interno e all'esterno della parte. La formazione di un campo magnetico disperso a causa di un difetto del sottosuolo può essere spiegata utilizzando la Figura 42, che mostra una sezione di una parte magnetizzata. Le linee di forza dell'induzione magnetica appartengono a una delle tre sezioni della sezione trasversale: sopra il difetto, nella zona del difetto e sotto il difetto. Il prodotto dell'induzione magnetica e dell'area della sezione trasversale determina il flusso magnetico. I componenti del flusso magnetico totale in queste aree sono designati come Φ 1 ,.., Parte del flusso magnetico F2, scorrerà sopra e sotto la sezione S2. Pertanto, flussi magnetici in sezioni S1 E S3 sarà maggiore di quello di una parte priva di difetti. Lo stesso si può dire dell’induzione magnetica. Un'altra caratteristica importante delle linee di induzione magnetica è la loro curvatura sopra e sotto il difetto. Di conseguenza, parte delle linee di campo lascia la parte, creando un campo di diffusione magnetica del difetto.
3 .
Figura 42 Campo di diffusione di un difetto del sottosuolo
Il campo magnetico di dispersione può essere quantificato dal flusso magnetico che lascia la parte, chiamato flusso di dispersione. Maggiore è il flusso magnetico, maggiore è il flusso magnetico di dispersione Φ2 in sezione trasversale S2. Area della sezione trasversale S2 proporzionale al coseno dell'angolo , mostrato nella Figura 42. A = 90° quest'area è zero, a =0° è la cosa più importante.
Pertanto, per identificare i difetti, è necessario che le linee di induzione magnetica nella zona di ispezione del pezzo siano perpendicolari al piano del sospetto difetto.
La distribuzione del flusso magnetico sulla sezione trasversale di una parte difettosa è simile alla distribuzione del flusso d'acqua in un canale con un ostacolo. L'altezza dell'onda nella zona di un ostacolo completamente sommerso sarà tanto maggiore quanto più la cresta dell'ostacolo è vicina alla superficie dell'acqua. Allo stesso modo, un difetto nel sottosuolo di una parte è più facile da rilevare quanto minore è la profondità in cui si è verificato.
10.5 Rilevazione dei difetti
Per rilevare i difetti è necessario un dispositivo che consenta di determinare le caratteristiche del campo di diffusione del difetto. Questo campo magnetico può essere determinato dai suoi componenti N x, N y, N z.
Tuttavia, i campi dispersi possono essere causati non solo da un difetto, ma anche da altri fattori: disomogeneità strutturale del metallo, brusco cambiamento della sezione trasversale (in parti di forma complessa), lavorazione meccanica, urti, rugosità superficiale, ecc. Pertanto, l’analisi della dipendenza anche di una sola proiezione (ad esempio, Hz) dalla coordinata spaziale ( X O sì) può essere un compito impegnativo.
Consideriamo il campo magnetico disperso in prossimità del difetto (Figura 43). Qui è mostrata una fessura idealizzata infinitamente lunga con bordi lisci. È allungato lungo l'asse sì, che è diretto verso di noi nella figura. I numeri 1, 2, 3, 4 mostrano come cambia l'entità e la direzione del vettore dell'intensità del campo magnetico quando ci si avvicina alla fessura da sinistra.
Figura 43 Campo magnetico disperso vicino a un difetto
Il campo magnetico viene misurato ad una certa distanza dalla superficie del pezzo. La traiettoria lungo la quale vengono effettuate le misurazioni è indicata con una linea tratteggiata. Le grandezze e le direzioni dei vettori a destra della fessura possono essere costruite in modo simile (o utilizzare la simmetria della figura). A destra dell'immagine del campo di diffusione c'è un esempio della posizione spaziale del vettore H e le sue due componenti Hx E H z . Grafici di dipendenza della proiezione Hx E H z campi di diffusione dalle coordinate X sono mostrati di seguito.
Sembrerebbe che cercando l'estremo di H x o lo zero di H z si possa trovare un difetto. Ma come notato sopra, i campi vaganti sono formati non solo da difetti, ma anche da disomogeneità strutturali del metallo, da tracce di influenze meccaniche, ecc.
Consideriamo un'immagine semplificata della formazione di campi vaganti su una parte semplice (Figura 44) simile a quella mostrata nella Figura 41, e i grafici delle dipendenze della proiezione Hz, Hx dalle coordinate X(il difetto è esteso lungo l'asse sì).
Secondo i grafici delle dipendenze Hx E Hz da X individuare un difetto è molto difficile, poiché i valori degli estremi Hx E Hz oltre un difetto e oltre le disomogeneità sono commisurati.
Una soluzione è stata trovata quando si è scoperto che nell'area del difetto il tasso massimo di variazione (pendenza) dell'intensità del campo magnetico di una certa coordinata è maggiore di altri massimi.
La Figura 44 mostra la pendenza massima del grafico Hz(x) tra i punti x1 E x2(cioè nella zona in cui è localizzato il difetto) è molto maggiore che in altri luoghi.
Pertanto, il dispositivo non dovrebbe misurare la proiezione dell’intensità del campo, ma la “velocità” della sua variazione, ad es. il rapporto tra la differenza nelle proiezioni in due punti adiacenti sopra la superficie della parte e la distanza tra questi punti:
(10.5)
Dove H z (x 1), H z (x 2)- valori di proiezione vettoriale H per asse z in punti x1, x2(a sinistra e a destra del difetto), Gz(x) comunemente chiamato gradiente di intensità del campo magnetico.
Dipendenza Gz(x) mostrato nella Figura 44. Distanza Dx = x2 – x1 tra i punti in cui vengono misurate le proiezioni del vettore H per asse z, viene selezionato tenendo conto della dimensione del campo di diffusione del difetto.
Come segue dalla Figura 44, e questo è in buon accordo con la pratica, il valore del gradiente sopra il difetto è significativamente maggiore del suo valore sopra le disomogeneità del metallo della parte. Questo è ciò che permette di registrare in modo affidabile un difetto quando il gradiente supera un valore di soglia (Figura 44).
Scegliendo il valore di soglia richiesto è possibile ridurre gli errori di controllo a valori minimi.
Figura 44 Linee del campo magnetico di un difetto e disomogeneità nel metallo di un pezzo.
10.6 Metodo Fluxgate
Il metodo fluxgate si basa sulla misurazione con un dispositivo fluxgate del gradiente dell'intensità del campo magnetico disperso creato da un difetto in un prodotto magnetizzato e sul confronto del risultato della misurazione con una soglia.
All'esterno della parte controllata esiste un certo campo magnetico creato per magnetizzarla. L'uso di un rilevatore di difetti - gradiometro garantisce che il segnale causato dal difetto sia isolato sullo sfondo di una componente piuttosto grande dell'intensità del campo magnetico che cambia lentamente nello spazio.
Un rilevatore di difetti fluxgate utilizza un trasduttore che risponde alla componente gradiente della componente normale dell'intensità del campo magnetico sulla superficie della parte. Il trasduttore del rilevatore di difetti contiene due aste parallele realizzate in una speciale lega magnetica morbida. Durante il test, le aste sono perpendicolari alla superficie del pezzo, cioè parallelamente alla componente normale dell'intensità del campo magnetico. Le aste hanno avvolgimenti identici attraverso i quali scorre la corrente alternata. Questi avvolgimenti sono collegati in serie. La corrente alternata crea componenti alternati di intensità del campo magnetico nelle aste. Queste componenti coincidono in grandezza e direzione. Inoltre, nella posizione di ciascuna asta è presente una componente costante dell'intensità del campo magnetico della parte. Grandezza Δx, che è compresa nella formula (10.5), è pari alla distanza tra gli assi delle aste ed è chiamata base del trasduttore. La tensione di uscita del convertitore è determinata dalla differenza delle tensioni alternate tra gli avvolgimenti.
Posizioniamo il trasduttore rilevatore di difetti sull'area del pezzo senza difetti, dove i valori dell'intensità del campo magnetico nei punti x1; x2(vedi formula (10.5)) sono gli stessi. Ciò significa che il gradiente di intensità del campo magnetico è zero. Quindi su ciascuna asta del convertitore agiranno le stesse componenti costanti e alternate dell'intensità del campo magnetico. Questi componenti rimagnetizzeranno ugualmente le aste, quindi le tensioni sugli avvolgimenti sono uguali tra loro. La differenza di tensione che determina il segnale di uscita è zero. Pertanto, il trasduttore del rilevatore di difetti non risponde al campo magnetico se non è presente alcun gradiente.
Se il gradiente di intensità del campo magnetico non è zero, le aste si troveranno nello stesso campo magnetico alternato, ma le componenti costanti saranno diverse. Ogni asta è rimagnetizzata dalla corrente alternata dell'avvolgimento dallo stato ad induzione magnetica - A S a + A S Secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, la tensione può apparire sull'avvolgimento solo quando cambia l'induzione magnetica. Pertanto il periodo delle oscillazioni della corrente alternata può essere suddiviso in intervalli in cui l'asta è in saturazione e quindi la tensione sull'avvolgimento è nulla, e in periodi di tempo in cui non c'è saturazione e quindi la tensione è diversa da zero. Durante i periodi di tempo in cui entrambe le aste non sono magnetizzate fino alla saturazione, sugli avvolgimenti compaiono tensioni uguali. In questo momento, il segnale di uscita è zero. Lo stesso accadrà se entrambe le aste fossero contemporaneamente sature, quando non c'è tensione sugli avvolgimenti. La tensione di uscita appare quando un nucleo è in uno stato saturo e l'altro è in uno stato insaturo.
L'influenza simultanea di una componente costante e variabile dell'intensità del campo magnetico porta al fatto che ciascun nucleo si trova in uno stato saturo per un tempo più lungo rispetto all'altro. Una saturazione più lunga corrisponde alla somma delle componenti costante e variabile dell'intensità del campo magnetico, mentre una saturazione più breve corrisponde alla sottrazione. La differenza tra intervalli di tempo che corrispondono ai valori di induzione magnetica + A S E - A S, dipende dall'intensità del campo magnetico costante. Consideriamo uno stato con induzione magnetica + A S a due aste del trasduttore. Valori irregolari dell'intensità del campo magnetico nei punti x1 E x2 corrisponderanno diverse durate degli intervalli di saturazione magnetica dei bastoncelli. Maggiore è la differenza tra queste intensità di campo magnetico, più diversi sono gli intervalli di tempo. Durante i periodi di tempo in cui un'asta è satura e l'altra insatura, si verifica la tensione di uscita del convertitore. Questa tensione dipende dal gradiente dell'intensità del campo magnetico.
