Магнитное поле вокруг проводника с током возникает только в момент изменения силы тока в проводнике

Физика лекции / Магнитное поле

Магнитное поле – это материальная среда, через которую осуществляется взаимодействие между проводниками с током или движущимися зарядами.

Свойства магнитного поля:

1. Магнитное поле возникает вокруг любого проводника с током.
2. Магнитное поле действует на любой проводник с током. В результате этого действия прямой проводник двигается в сторону действия силы, а проводник, замкнутый в кольцо (контур), поворачивается на некоторый угол.
3. Магнитное поле не имеет границ, но действие его уменьшается при увеличении расстояния от проводника с током, поэтому действие поля не обнаруживается на больших расстояниях.
4. Взаимодействие токов происходит с конечной скоростью в м/с.

Характеристики магнитного поля: Для исследования магнитного поля используют пробный контур с током. Он имеет малые размеры, и ток в нём много меньше тока в проводнике, создающем магнитное поле. На противоположные стороны контура с током со стороны магнитного поля действуют силы, равные по величине, но направленные в противоположные стороны, так как направление силы зависит от направления тока. Точки приложения этих сил не лежат на одной прямой. Такие силы называют парой сил. В результате действия пары сил контур не может двигаться поступательно, он поворачивается вокруг своей оси. Вращающее действие характеризуется моментом сил. , где l – плечо пары сил (расстояние между точками приложения сил). При увеличении тока в пробном контуре или площади контура пропорционально увеличится момент пары сил. Отношение максимального момента сил, действующего на контур с током, к величине силы тока в контуре и площади контура – есть величина постоянная для данной точки поля. Называется она магнитной индукцией. , где — магнитный момент контура с током. Единица измерения магнитной индукции – Тесла [Тл].Магнитный момент контура – векторная величина, направление которой зависит от направления тока в контуре и определяется по правилу правого винта: правую руку сжать в кулак, четыре пальца направить по направлению тока в контуре, тогда большой палец укажет направление вектора магнитного момента. Вектор магнитного момента всегда перпендикулярен плоскости контура. За направление вектора магнитной индукции принимают направление вектора магнитного момента контура, ориентированного в магнитном поле. Линия магнитной индукции – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, никогда не пересекаются. Линии магнитной индукции прямого проводника с током имеют вид окружностей, расположенных в плоскости, перпендикулярной проводнику. Направление линий магнитной индукции определяют по правилу правого винта. Линии магнитной индукции кругового тока (витка с током) также имеют вид окружностей. Каждый элемент витка длиной можно представить как прямолинейный проводник, который создаёт своё магнитное поле. Для магнитных полей выполняется принцип суперпозиции (независимого сложения). Суммарный вектор магнитной индукции кругового тока определяется как результат сложения этих полей в центре витка по правилу правого винта. Если величина и направление вектора магнитной индукции одинаковы в каждой точке пространства, то магнитное поле называют однородным. Если величина и направление вектора магнитной индукции в каждой точке не изменяются с течением времени, то такое поле называют постоянным. Величина магнитной индукции в любой точке поля прямо пропорциональна силе тока в проводнике, создающем поле, обратно пропорциональна расстоянию от проводника до данной точки поля, зависит от свойств среды и формы проводника, создающего поле. , где Н/А 2 ; Гн/м – магнитная постоянная вакуума, — относительная магнитная проницаемость среды, — абсолютная магнитная проницаемость среды. В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества разделяют на три класса:

1. Парамагнетики – вещества, у которых , то есть при помещении их в магнитное поле магнитная индукция увеличивается. При удалении парамагнетиков из магнитного поля их намагниченность не сохраняется.
2. Диамагнетики – вещества, у которых , при помещении их в магнитное поле магнитная индукция уменьшается, намагниченность не сохраняется.
3. Ферромагнетики – вещества, у которых , при удалении этих веществ из магнитного поля их намагниченность сохраняется, и эти вещества становятся постоянными магнитами. Между полюсами подковообразного магнита создаётся однородное магнитное поле (магнитные поля, созданные проводниками с током — неоднородные).

При увеличении абсолютной проницаемости среды увеличивается и магнитная индукция в данной точке поля. Отношение магнитной индукции к абсолютной магнитной проницаемости среды – величина постоянная для данной точки поли, е называют напряжённостью.. Векторы напряжённости и магнитной индукции совпадают по направлению. Напряжённость магнитного поля не зависит от свойств среды. Сила Ампера – сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. , где l – длина проводника, — угол между вектором магнитной индукции и направлением тока. Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: левую руку располагают так, чтобы составляющая вектора магнитной индукции, перпендикулярная проводнику, входила в ладонь, четыре вытянутых пальца направить по току, тогда отогнутый на 90 0 большой палец укажет направление силы Ампера. Результат действия силы Ампера – движение проводника в данном направлении. Если = 90 0 , то F = max, если = 0 0 , то F = 0. Сила Лоренца – сила действия магнитного поля на движущийся заряд. , где q – заряд, v – скорость его движения, — угол между векторами напряжённости и скорости. Сила Лоренца всегда перпендикулярна векторам магнитной индукции и скорости. Направление определяют по правилу левой руки (пальцы – по движению положительного заряда). Если направление скорости частицы перпендикулярно линиям магнитной индукции однородного магнитного поля, то частица движется по окружности без изменения кинетической энергии. Так как направление силы Лоренца зависит от знака заряда, то её используют для разделения зарядов. Магнитный поток – величина, равная числу линий магнитной индукции, которые проходят через любую площадку, расположенную перпендикулярно линиям магнитной индукции. , где — угол между магнитной индукцией и нормалью (перпендикуляром) к площади S. Единица измерения – Вебер [Вб]. Способы измерения магнитного потока:

1. Изменение ориентации площадки в магнитном поле (изменение угла)
2. Изменение площади контура, помещённого в магнитное поле
3. Изменение силы тока, создающего магнитное поле
4. Изменение расстояния контура от источника магнитного поля
5. Изменение магнитных свойств среды.

Фарадей регистрировал электрический ток в контуре, не содержащим источника, но находившемся рядом с другим контуром, содержащим источник. Причём ток в первом контуре возникал в следующих случаях: при любом изменении тока в контуре А, при относительном перемещении контуров, при внесении в контур А железного стержня, при движении относительно контура Б постоянного магнита. Направленное движение свободных зарядов (ток) возникает только в электрическом поле. Значит, изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, которое и приводит в движение свободные заряды проводника. Это электрическое поле называют индуцированным или вихревым. Отличия вихревого электрического поля от электростатического:

1. Источник вихревого поля – изменяющееся магнитное поле.
2. Линии напряжённости вихревого поля замкнуты.
3. Работа, совершаемая этим полем по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю.
4. Энергетической характеристикой вихревого поля является не потенциал, а ЭДС индукции – величина, равная работе сторонних сил (сил не электростатического происхождения) по перемещению единицы заряда по замкнутому контуру.

. Измеряется в Вольтах [В]. Вихревое электрическое поле возникает при любом изменении магнитного поля, независимо от того, есть ли проводящий замкнутый контур или его нет. Контур только позволяет обнаружить вихревое электрическое поле. Электромагнитная индукция – это возникновение ЭДС индукции в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через его поверхность. ЭДС индукции в замкнутом контуре порождает индукционный ток. . Направление индукционного тока определяют по правилу Ленца: индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле противодействует любому изменению магнитного потока, породившего этот ток. Закон Фарадея для электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. Токи Фуко – вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках больших размеров, помещённых в изменяющееся магнитное поле. Сопротивление такового проводника мало, так как он имеет большое сечение S, поэтому токи Фуко могут быть большими по величине, в результате чего проводник нагревается. Самоиндукция – это возникновение ЭДС индукции в проводнике при изменении силы тока в нём. Проводник с током создаёт магнитное поле. Магнитная индукция зависит от силы тока, следовательно собственный магнитный поток тоже зависит от силы тока. , где L – коэффициент пропорциональности, индуктивность. Единица измерения индуктивности – Генри [Гн]. Индуктивность проводника зависит от его размеров, формы и магнитной проницаемости среды. Индуктивность увеличивается при увеличении длины проводника, индуктивность витка больше индуктивности прямого проводника такой же длины, индуктивность катушки (проводника с большим числом витков) больше индуктивности одного витка, индуктивность катушки увеличивается, если в неё вставить железный стержень. Закон Фарадея для самоиндукции: . ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока. ЭДС самоиндукции порождает ток самоиндукции, который всегда препятствует любому изменению тока в цепи, то есть, если ток увеличивается, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону, при уменьшении тока в цепи, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Чем больше индуктивность катушки, тем больше ЭДС самоиндукции возникает в ней. Энергия магнитного поля равна работе, которую совершает ток для преодоления ЭДС самоиндукции за время, пока ток возрастает от нуля до максимального значения. . Электромагнитные колебания – это периодические изменения заряда, силы тока и всех характеристик электрического и магнитного полей. Электрическая колебательная система (колебательный контур) состоит из конденсатора и катушки индуктивности. Условия возникновения колебаний:

1. Систему надо вывести из состояния равновесия, для этого сообщают заряд конденсатору. Энергия электрического поля заряженного конденсатора:

.

1. Система должна возвращаться в состояние равновесия. Под действием электрического поля заряд переходит с одной пластины конденсатора на другую, то есть в цепи возникает электрический ток, которые идёт по катушке. При увеличении тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону. Когда ток в катушке уменьшается, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Таким образом, ток самоиндукции стремиться возвратить систему к состоянию равновесия.
2. Электрическое сопротивление цепи должно быть малым.

Идеальный колебательный контур не имеет сопротивления. Колебания в нём называют свободными. Для любой электрической цепи выполняется закон Ома, согласно которому ЭДС, действующая в контуре, равна сумме напряжений на всех участках цепи. В колебательном контуре источника тока нет, но в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая равна напряжению на конденсаторе. Вывод: заряд конденсатора изменяется по гармоническому закону. Напряжение на конденсаторе: . Сила тока в контуре: . Величина — амплитуда силы тока. . Отличие от заряда на . Период свободных колебаний в контуре: Энергия электрического поля конденсатора: Энергия магнитного поля катушки: Энергии электрического и магнитного полей изменяются по гармоническому закону, но фазы их колебаний разные: когда энергия электрического поля максимальна, энергия магнитного поля равна нулю. Полная энергия колебательной системы: . В идеальном контуре полная энергия не изменяется. В процессе колебаний энергия электрического поля полностью превращается в энергию магнитного поля и наоборот. Значит энергия в любой момент времени равна или максимальной энергии электрического поля, или максимальной энергии магнитного поля. Реальный колебательный контур содержит сопротивление. Колебания в нём называют затухающими. Закон Ома примет вид: При условии что затухание мало (квадрат собственной частоты колебаний много больше квадрата коэффициента затухания) логарифмический декремент затухания: При сильном затухании (квадрат собственной частоты колебаний меньше квадрата коэффициента колебаний):

1. В контуре нет конденсатора, т.е. ёмкостное сопротивление контура равно нулю, а электроемкость стремиться к бесконечности. Значит:

1. В контуре отсутствует индуктивность, т.е. она стремиться к нулю.

Это уравнение описывает процесс разрядки конденсатора на резистор. При отсутствии индуктивности колебаний не возникнет. По такому закону изменяется и напряжение на обкладках конденсатора.

1. Зарядка конденсатора от источника постоянной ЭДС также происходит по экспоненциальному закону:

Полная энергия в реальном контуре уменьшается, так как на сопротивление R при прохождении тока выделяется теплота. Переходный процесс – процесс, возникающий в электрических цепях при переходе от одного режима работы к другому. Оценивается временем (), в течение которого параметр, характеризующий переходный процесс изменится в е раз. Для контура с конденсатором и резистором: . Теория Максвелла об электромагнитном поле: 1 положение:Всякое переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное. Переменное электрическое поле было названо Максвеллом током смещения, так как оно подобно обычному току вызывает магнитное поле. Для обнаружения тока смещения рассматривают прохождение тока по системе, в которую включён конденсатор с диэлектриком. Плотность тока смещения: . Плотность тока направлена в сторону изменения напряжённости. Первое уравнение Максвелла: — вихревое магнитное поле порождается как токами проводимости (движущимися электрическими зарядами) так и токами смещения (переменным электрическим полем Е). 2 положение:Всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле – основной закон электромагнитной индукции.Второе уравнение Максвелла: — связывает скорость изменения магнитного потока сквозь любую поверхность и циркуляцию вектора напряжённости электрического поля, возникающего при этом. Любой проводник с током создаёт в пространстве магнитное поле. Если ток постоянный (не изменяется с течением времени), то и связанное с ним магнитное поле тоже постоянное. Изменяющийся ток создаёт изменяющиеся магнитное поле. Внутри проводника с током существует электрическое поле. Следовательно, изменяющееся электрическое поле создаёт изменяющееся магнитное поле. Магнитное поле вихревое, так как линии магнитной индукции всегда замкнуты. Величина напряженности магнитного поля Н пропорциональна скорости изменения напряжённости электрического поля . Направление вектора напряжённости магнитного поля связано с изменением напряжённости электрического поля правилом правого винта: правую руку сжать в кулак, большой палец направить в сторону изменения напряжённости электрического поля, тогда согнутые 4 пальца укажут направление линий напряжённости магнитного поля. Любое изменяющееся магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле, линии напряжённости которого замкнуты и расположены в плоскости, перпендикулярной напряжённости магнитного поля. Величина напряжённости Е вихревого электрического поля зависит от скорости изменения магнитного поля . Направление вектора Е связано с направлением изменения магнитного пол Н правилом левого винта: левую руку сжать в кулак, большой палец направить в сторону изменения магнитного поля, согнутые четыре пальца укажут направление линий напряжённости вихревого электрического поля. Совокупность связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей представляют электромагнитное поле. Электромагнитное поле не остаётся в месте зарождения, а распространяется в пространстве в виде поперечной электромагнитной волны. Электромагнитная волна – это распространение в пространстве связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей. Условие возникновения электромагнитной волны – движение заряда с ускорением. Уравнение электромагнитной волны: — циклическая частота электромагнитных колебаний t – время от начала колебаний l – расстояние от источника волны до данной точки пространства — скорость распространения волны — время движения волны от источника до данной точки. Векторы Е и Н в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и скорости распространения волны. Источник электромагнитных волн – проводники, по которым протекают быстропеременные токи (макроизлучатели), а также возбуждённые атомы и молекулы (микроизлучатели). Чем больше частота колебаний, тем лучше излучаются в пространстве электромагнитные волны. Свойства электромагнитных волн:

1. Все электромагнитные волны – поперечные
2. В однородной среде электромагнитные волны распространяются с постоянной скоростью, которая зависит от свойств среды:

— относительная диэлектрическая проницаемость среды — диэлектрическая постоянная вакуума, Ф/м, Кл 2 /нм 2 — относительная магнитная проницаемость среды — магнитная постоянная вакуума, Н/А 2 ; Гн/м

1. Электромагнитные волны отражаются от препятствий, поглощаются, рассеиваются, преломляются, поляризуются, дифрагируют, интерферируют.
2. Объёмная плотность энергии электромагнитного поля складывается из объёмных плотностей энергии электрического и магнитного полей:

1. Плотность потока энергии волн – интенсивность волны:

— вектор Умова-Пойнтинга. Все электромагнитные волны расположены в ряд по частотам или длинам волн (). Этот ряд – шкала электромагнитных волн.

1. Низкочастотные колебания. 0 – 10 4 Гц. Получают в генераторах. Они плохо излучаются
2. Радиоволны. 10 4 – 10 13 Гц. Излучаются твёрдыми проводниками, по которым проходят быстропеременные токи.
3. Инфракрасное излучение – волны, излучаемые всеми телами при температуре свыше 0 К, благодаря внутриатомным и внутри молекулярным процессам.
4. Видимый свет – волны, оказывающие действие на глаз, вызывая зрительное ощущение. 380-760 нм
5. Ультрафиолетовое излучение. 10 – 380 нм. Видимый свет и УФ возникают при изменении движения электронов внешних оболочек атома.
6. Рентгеновское излучение. 80 – 10 -5 нм. Возникает при изменении движения электронов внутренних оболочек атома.
7. Гамма-излучение. Возникает при распаде ядер атомов.

09.05.2015 146.94 Кб 64 Биофизика.doc

Урок физики: Магнитное поле (9 класс)

Делимся планом урока на тему «Магнитное поле» для учеников 9 класса.

Цель урока:

1. Дать определение магнитного поля, выяснить его свойства и характеристики.
2. Изучить правила для определения взаимного расположения электрического тока и вектора. индукции магнитного поля.
3. Провести опыт, позволяющий визуализировать силовые линии магнитного поля.
4. Сформулировать свойства силовых линий магнитного поля.
5. Дать определение силы Ампера и силы Лоренца.
6. Сформулировать правило левой руки для определения силы, действующей на движущиеся заряженные частицы или на проводник с током в магнитном поле.
7. Объяснить движение заряженных электрических частиц в магнитном поле.
8. Объяснить действие магнитного поля на рамку с током.
9. Сформулировать магнитные свойства вещества.
10. Дать представление о магнитном поле Земли.
11. Объяснить напряжение в проводнике, движущемся в магнитном поле.
12. Дать определение магнитного потока.
13. Объяснить явление электромагнитной индукции (2 классических опыта).
14. Изучить закон электромагнитной индукции Фарадея.

Основные понятия: магнетизм, электромагнитное поле, явление электромагнитной индукции, сила Ампера (действие магнитного поля на проводник с током).

Учите школьников и получайте
от 40 до 100 000 рублей в месяц!

Приглашаем учителей физики
с высшим образованием (или студентов последнего курса) и опытом подготовки
к выпускным экзаменам

Содержание:

• Магнитное поле
• Эксперимент
• Сила Ампера
• Ампер и параллельные проводники
• Сила Лоренца
• Движение частиц в магнитном поле
• Действие магнитного поля на рамку с током
• Магнитные свойства вещества
• Магнитное поле Земли
• Напряжение в проводнике, движущемся в магнитном поле
• Магнитный поток
• Явление электромагнитной индукции
• Закон электромагнитной индукции Фарадея
• Итоги

Магнитное поле

Магнитное поле — это одна из составляющих электромагнитного поля, которая создается движущимися зарядами (электрическими токами). Мало того, что магнитное поле создается только движущимися зарядами, оно и способно действовать только на движущиеся заряды или на токи, а на неподвижные заряды оно действовать не будет.

Основная характеристика магнитного поля — это вектор индукции магнитного поля. За направление вектора магнитной индукции принято брать направление от южного полюса к северному по стрелке компаса, располагающейся в магнитном поле. Внимание: снаружи стрелки поле направлено от северного полюса к южному.

Значение магнитной индукции определяется как отношение максимальной силы, с которой магнитное поле действует на проводник единичной длины (l=1 м) к силе тока I в проводнике:

В системе СИ единицей магнитной индукции является 1 Тесла (1 Тл):

Для определения направления вектора индукции магнитного поля применяют правило буравчика или правило правой руки. Они описывают взаимное расположение вектора магнитной индукции и направление силы тока, создающего это поле.

Главное свойство этих правил — их обратимость. То есть направления вектора магнитной индукции и направление силы тока можно менять между собой, а правило останется.

Внимательно рассмотрите рисунки и сформулируйте упомянутые правила для каждого случая.

Как и в случае с электрическим полем, магнитное поле изображают с помощью силовых линий, а мы проведем эксперимент.

Сколько платят в Skyeng преподавателю физики?

Из чего складывается доход учителей, рассказываем в специальной статье.

Эксперимент

Оборудование:

• листок плотной бумаги (картон) формата А4;
• железная мелкодисперсная стружка;
• постоянные магниты различной формы;
• провод;
• батарейка (или источник постоянного тока).

Ход эксперимента:

1. Расположите на столе провод и замкните его на батарейку или источник постоянного напряжения. Внимание: обязательно добавьте в цепь нагрузочное сопротивление, чтобы не допустить короткое замыкание.
2. Накройте проводник листом плотной бумаги.
3. Насыпайте на лист бумаги мелкодисперсную железную стружку.
4. Мелкие частички металлической стружки располагаются вдоль линий магнитного поля, образовавшегося вокруг проводника, по которому проходит электрический ток. Так можно увидеть картину магнитного поля.
5. Попробуйте изменить форму провода, сворачивая из него разнообразные плоские фигуры.
6. Обязательно сделайте фотографии на память и поделитесь ими с друзьями.
7. Повторите тот же эксперимент, но вместо провода с батарейкой или источником постоянного тока используйте постоянный магнит.

Ответьте на вопросы:

1. Может ли электрический заряд создать магнитное поле? Ответ: нет, магнитное поле создается только движущимися электрическими зарядами.
2. Действует ли магнитное поле на покоящийся электрический заряд? Ответ: магнитное поле действует только на движущиеся заряды.
3 Чем создается магнитное поле постоянных магнитов? Ответ: в постоянных магнитах магнитное поле создается токами Фуко.

Сформулируем свойства силовых линий магнитного поля:

• силовые линии магнитного поля не пересекаются и не прерываются;
• густота силовых линий магнитного поля пропорциональна величине индукции магнитного поля;
• силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, то есть магнитное поле — вихревое поле.

Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции полей (так же, как и для электрического поля):

В каждой точке пространства вектор магнитной индукции созданных в этой точке всеми источниками магнитных полей равен векторной сумме векторов магнитных индукций, созданных в этой точке всеми источниками магнитных полей: = ₁+ ₂+…+ _n

Итоги: доказали наличие магнитного поля вокруг движущихся электрических зарядов, получили картины различных магнитных полей, сформулировали свойства силовых линий магнитного поля.

Вам могут быть интересны и другие наши статьи о физических опытах:

Сила Ампера

Вопрос: если вокруг проводника, по которому проходит электрический ток, имеется магнитное поле, которое действует на другие проводники с током, то не означает ли это то, что на проводник с током, оказавшимся в каком-то магнитном поле, должна действовать какая-то сила?
Ответ: да. Эта сила носит название «Сила Ампера».

Сила Ампера — это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током.

Модуль силы Ампера FА равен произведению модуля индукции магнитного поля B, в котором находится проводник с током, длины этого проводника l, силы тока в нем I и синуса угла между направлениями тока и вектора индукции магнитного поля sinα: F_А=B∙I∙l∙sinα

Этой формулой можно пользоваться:

• если длина проводника такая, что индукция во всех точках проводника может считаться одинаковой;
• если магнитное поле однородное (тогда длина проводника может быть любой, но при этом проводник целиком должен находиться в поле).

Для определения направления силы Ампера применяют правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направление тока, тогда отогнутый на большой палец укажет направление силы Ампера.

Вопрос: чему равна сила Ампера, если проводник расположен вдоль линий магнитной индукции?
Ответ: сила Ампера равна нулю, если проводник с током расположен вдоль линий магнитной индукции, и максимальна, если проводник перпендикулярен этим линиям.

Ампер и параллельные проводники

Одним из важных примеров магнитного взаимодействия является взаимодействие параллельных токов. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Андре Мари Ампером.

Если по двум параллельным проводникам электрические токи текут в одну и ту же сторону, то наблюдается взаимное притяжение проводников. В случае когда токи текут в противоположных направлениях, проводники отталкиваются.

Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток, и наоборот.

Магнитное взаимодействие параллельных проводников с током используется в международной системе единиц (СИ) для определения единицы силы тока — ампера.

Ампер — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу магнитного взаимодействия, равную 2∙10 -7 Н на каждый метр длины.

Сила Лоренца

Понимание магнитного поля строится на двух положениях: движущиеся заряды создают магнитное поле, и магнитное поле действует на движущиеся заряды. Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд, называется силой Лоренца.

Сила Лоренца — это сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу.

Модуль силы Лоренца F_Л равен произведению модуля индукции магнитного поля B, в котором находится заряженная частица, модуля |q|заряда этой частицы, величины ее скорости v и синуса угла a между направлениями скорости и вектора индукции магнитного поля : F_Л=B∙|q|∙v∙sinα

Для определения направления силы Лоренца применяют правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направления скорости движения положительно заряженной частицы, тогда отогнутый на большой палец в плоскости ладони укажет направление силы Лоренца. Для отрицательной частицы четыре вытянутых пальца направляют против скорости движения частицы.

Если вы устали от подготовки к урокам, отчетов и проверки домашних заданий, узнайте, как начать преподавать физику онлайн:

Движение частиц в магнитном поле

1) Если скорость заряженной частицы массой направлена вдоль вектора индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по прямой с постоянной скоростью (сила Лоренца равна нулю).

2) Если скорость заряженной частицы массой перпендикулярна вектору индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по радиусу окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции.

3) Если скорость заряженной частицы массой m направлена под углом к вектору индукции магнитного поля , то частица будет двигаться по винтовой линии радиуса R и шагом h.

Действие силы Лоренца широко используют в различных электротехнических устройствах:

• электронно-лучевых трубках старых телевизоров и мониторов;
• ускорителях заряженных частиц;
• экспериментальных установках для осуществления управляемой термоядерной реакции;
• МГД-генераторах.

Действие магнитного поля на рамку с током

Рассмотрим проволочную проводящую рамку, находящуюся во внешнем магнитном поле . Если в этой рамке создать электрический ток I, то на рамку со стороны магнитного поля начнут действовать силы Ампера _А:

Если внешнее магнитное поле является однородным, то равнодействующая всех сил Ампера будет равна нулю, однако момент всех сил Ампера в нуль обращаться не будет, что означает то, что рамка начнет вращаться (создается вращающий момент, и рамка поворачивается в положение, в котором вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости рамки).

На данном факте основано действие электродвигателя постоянного тока (электромотора).

Если внешнее магнитное поле является неоднородным, то равнодействующая всех сил Ампера и момент всех сил не будут равны нулю, то есть свободная рамка начнет поступательно двигаться плюс вращаться (неоднородное магнитное поле ориентирует, а также притягивает или отталкивает рамку с током).

Магнитные свойства вещества

Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля. В результате этого вектор магнитной индукции при наличии вещества отличается от вектора магнитной индукции ₀ в вакууме.

Магнитная проницаемость вещества μ показывает, во сколько раз вектор магнитной индукции в веществе больше, чем вектор магнитной индукции ₀ в вакууме, то есть: =μ∙ ₀

Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами:

• ферромагнетики;
• парамагнетики;
• диамагнетики.

Магнитное поле Земли

Обойти вниманием самый большой магнит на планете, на которой мы живем было бы непростительно.

Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. Магнитное поле Земли имеет внутриземное происхождение. Ядро Земли является жидким и состоящим из железа; в нем циркулируют круговые токи, которые и порождают земное магнитное поле: вокруг токов всегда есть магнитное поле. Оно не является симметричным.

Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Южный магнитный полюс находится вблизи северного географического полюса, около северного берега озера Виктория (Канада). Северный магнитный полюс находится вблизи южного географического полюса, около берегов Антарктиды. Магнитные полюса Земли перемещаются (дрейфуют).

Магнитное поле Земли не остается постоянным, оно испытывает медленные изменения во времени (так называемые вековые вариации). Кроме того, через достаточно большие интервалы времени могут происходить изменения расположения магнитных полюсов на противоположные (инверсии).

За последние 30 млн лет среднее время между инверсиями составляло 150 000 лет. Но особенно большие изменения могут происходить в магнитосфере Земли. Эта область околоземного пространства, в котором сосредоточено магнитное поле Земли, простирается на расстояние 70–80 тыс. км в направлении на Солнце и на многие миллионы километров в противоположную сторону. В магнитосферу Земли вторгается множество заряженных частиц, входящих в состав солнечного ветра (потока плазмы солнечного происхождения). Частицы солнечного ветра, главным образом протоны и электроны, захватываются магнитным полем Земли и увлекаются по винтовым траекториям вдоль силовых линий.

Во время увеличения солнечной активности интенсивность солнечного ветра возрастает. При этом частицы солнечного ветра ионизируют верхние слои атмосферы в северных широтах (где магнитные силовые линии сгущены) и вызывают там свечения — северные сияния. В магнитном поле Земли в условиях разреженного воздуха так светятся обычно атомы кислорода и молекулы азота. Магнитное поле Земли защищает ее жителей от солнечного ветра.

Магнитные бури — это значительные изменения магнитного поля Земли под действием усиленного солнечного ветра в результате вспышек на Солнце и сопровождающих их выбросов потоков заряженных частиц.

Магнитные бури продолжаются обычно от 6 до 12 часов, а затем характеристики земного поля снова возвращаются к норме. Но за столь короткое время магнитная буря сильно влияет на радиосвязь, линии электросвязи, людей.

Кстати, человечество начало использовать магнитное поле Земли уже в начале XVII–XVIII вв. Тогда получает широкое распространение в мореходстве компас (магнитная стрелка).

Вопрос: в каком месте Земли совершенно нельзя верить магнитной стрелке вследствие того, что она северным концом показывает на юг, а южным на север?
Ответ: поместив компас между северным магнитным и северным географическим полюсами (ближе к магнитному), мы увидим, что северный конец стрелки направлен к первому, т. е. на юг, а южный — в противоположную сторону, т. е. на север.

Магнитное поле Земли служит многим живым организмам для ориентации в пространстве.

• Некоторые морские бактерии располагаются в придонном иле под определенным углом к силовым линиям магнитного поля Земли, что объясняется наличием в них мелких ферромагнитных частиц.
• Мухи и другие насекомые садятся предпочтительно в направлении поперек или вдоль магнитных линий магнитного поля Земли.
• Термиты располагаются на отдых так, что оказываются головами в одном направлении: в одних группах параллельно, в других перпендикулярно линиям магнитного поля.
• Ориентиром для перелетных птиц также служит магнитное поле Земли. Недавно ученые узнали, что у птиц в области глаз располагается маленький магнитный «компас» — крохотное тканевое поле, в котором расположены кристаллы магнетита, обладающие способностью намагничиваться в магнитном поле.
• Ботаники установили восприимчивость растений к магнитным полям. Оказывается, сильное магнитное поле влияет на рост растений.

Напряжение в проводнике, движущемся в магнитном поле

С помощью силы Лоренца можно объяснить явление поляризации и возникновения ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике.

Если поместить проводник на рельсы, с которыми у него будет электрический контакт, а магнитное поле направить вертикально к плоскости, в которой находится проводник на рельсах, то, если замкнуть рельсы со стороны, противоположной от проводника и перемещать проводник с постоянной скоростью, — в проводнике появится электрический ток. Причина этого тока — сила Лоренца, действующая на свободные электроны в проводнике, которые движутся вместе с проводником в магнитном поле.

Магнитный поток

Магнитный поток (поток вектора магнитной индукции) — это скалярная величина, которая количественно описывает прохождение магнитного поля через некоторую поверхность. Обозначается буквой Ф.

В однородном магнитном поле через плоскую поверхность площади S магнитный поток определяется как Ф=B*S*cosα, где B=| | — модуль вектора магнитной индукции, α — угол между вектором и и нормалью к поверхности.

Магнитный поток Ф, пронизывающий площадь контура, зависит от:

1. величины вектора магнитной индукции;
2. площади контура;
3. его ориентации относительно линий индукции магнитного поля.

Если вектор магнитной индукции перпендикулярен площади контура α=0 о , то магнитный поток максимален и равен Ф_max=B∙S

Если вектор магнитной индукции параллелен площади контура α=90 о , то магнитный поток равен нулю Ф=0.

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция — это явление возникновения тока в замкнутом проводнике при прохождении через него магнитного потока, изменяющегося со временем.

В настоящее время в основе многих устройств лежит явление электромагнитной индукции. Например, в двигателе или генераторе электрического тока, в трансформаторах, радиоприемниках и многих других устройствах.

Благодаря этому явлению мы можем преобразовывать механическую энергию в электрическую, а до открытия этого явления люди не знали о методах получения электрического тока кроме как от источников тока.

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного поля внутри замкнутого проводящего контура в нем возникает электрический ток, который назвали индукционным током.

Опыт № 1

Если в соленоид (катушка индуктивности), который замкнут на гальванометр, вдвигать или выдвигать постоянный магнит, то в моменты его вдвигания или выдвигания мы видим отклонение стрелки гальванометра (возникает индукционный ток). При этом отклонения стрелки при вдвигании и выдвигании магнита имеют противоположные направления.

Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. При смене в опыте полюсов магнита направление отклонения стрелки также изменится. Для получения индукционного тока можно оставлять магнит неподвижным, тогда нужно относительно магнита перемещать соленоид.

Опыт № 2

Если рядом расположить две катушки (например, на общем сердечнике или одну катушку внутри другой) и одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток. В моменты включения или выключения тока наблюдается отклонение стрелки гальванометра, а также в моменты его уменьшения или увеличения, а также при перемещении катушек друг относительно друга. Направления отклонений стрелки гальванометра также имеют противоположные направления при включении или выключении тока, его увеличении или уменьшении, приближении или удалении катушек.

Исследуя результаты своих многочисленных опытов, Фарадей пришел к заключению, что индукционный ток возникает всегда, когда в опыте осуществляется изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции (магнитного потока).

Например, при повороте в однородном магнитном поле замкнутого проводящего контура в нем также появляется индукционный ток. В этом случае индукция магнитного поля вблизи контура остается постоянной, а меняется только поток магнитной индукции сквозь контур.

В результате опыта было также установлено, что значение индукционного тока абсолютно не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения. Также в экспериментах Фарадея доказывается, что отклонение стрелки гальванометра (сила тока) тем больше, чем больше скорость движения магнита, или скорость изменения силы тока, или скорость движения катушек.

Открытие явления электромагнитной индукции дало возможность получать электрический ток с помощью магнитного поля и подтолкнуло разработку теории электромагнитного поля.

Магнитное поле вокруг проводника с током возникает только в момент изменения силы тока в проводнике

Магнитный контроль получил широкое распространение благодаря тому, что изделия из сплавов железа получили самое широкое распространение для удовлетворения потребностей человека. Именно особые магнитные свойства железа и его сплавов по сравнению со многими другими материалами привели к развитию магнитных методов контроля. Магнитный контроль в ряде случаев достаточно дешево и надежно позволяют выявлять поверхностные и подповерхностные дефекты и осуществлять другие задачи неразрушающего контроля.

1. ТЕОРИЯ МАГНЕТИЗМА

1.1 Основы. Магнитные эффекты. Область применения

Все вещества в природе состоят из элементарных частиц, обладающих магнитными свойствами.

Любое вещество состоит из атомов, имеющих положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны, причем электроны находятся в непрерывном движении. Следовательно, внутри и вокруг атомов существуют микроскопические электрические токи, которые порождают результирующее магнитное поле (рис.1).

Рисунок 1 – Магнитное поле элементарного заряда – электрона

Электрический ток – направленное (упорядоченное) движение частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов.

Электромагнитное поле – особая форма материи. Посредством электромагнитного поля осуществляется взаимодействие между заряженными частицами и обмен ими энергией. Характеризуется такими величинами как напряженности или индукции электромагнитных полей.

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами Поле действует только на движущиеся электрически заряженные частицы и тела, на проводники с токами и на частицы и тела, обладающие магнитной проницаемостью.

Однако все материалы могут рассматриваться как имеющие магнитные свойства, а, следовательно, все они могут реагировать на наличие внешнего магнитного поля.

Магнитная стрелка в магнитном поле устанавливается по направлению магнитных силовых линий. В соответствии с этим магнитным силовым линиям приписывают направление, совпадающее с направлением, указываемым северным концом магнитной стрелки компаса (так как на северном полюсе находится южный магнитный полюс Земли).

Магнитные поля на чертежах изображают замкнутыми непересекающимися кривыми, которые называют магнитными силовыми линиями. Магнитные поля считаются непрерывными в пространстве и убывающими до близких к нулю значений на больших расстояниях от проводника с током так, что таким магнитным полем уже можно пренебречь и считать отсутствующим.

Участок поверхности тела, из которого выходят магнитные силовые линии, условно назвали Северным магнитным полюсом «N», а другой, участок поверхности, на котором силовые линии входят в тело, – Южным «S».

Магнитное поле в магнитных методах НК используется для намагничивания и размагничивания проверяемых объектов.

Магнитные силовые линии следуют в пространстве по пути наименьшего сопротивления. В куске железа (в ферромагнетиках), помещённом между полюсами магнита, силовые линии сконцентрированы в большей степени, чем в воздухе или немагнитном материале, находящееся вокруг, так как железо обладает большей магнитной проницаемостью.

Другим важным свойством магнитного поля является то, что оно всегда возникает в перпендикулярной плоскости, в которой движутся электрические заряды. Наиболее простые и часто встречающиеся примеры такого взаимодействия электрических зарядов и магнитного поля приведены на рис. 2 и 3. Штриховыми линиями на рис. 3 обозначены силовые линии магнитного поля. Каждая силовая линия – кривая, на которой напряженность магнитного поля одинакова по величине и направлена по касательной в каждой ее точке. Напряженность магнитного поля – силовая характеристика магнитного поля, зависящая от силы тока и расстояния до проводника с током.

Рисунок 2 – Магнитное поле соленоида

Рисунок 3 – Магнитное поле проводника с током

На рис. 2 представлен соленоид, или катушка, в которой ток течет по круговой спирали витков, соответственно магнитные силовые линии внутри соленоида направлены вдоль его продольной оси. У крайних витков соленоида образуются магнитные полюсы S и N.

Внутри соленоида плотность силовых линий высока и напряженность поля примерно одинакова, однако она сильно ослабляется за пределами внутренней части соленоида.

Силовые линии проводника с током (рис. 3) имеют вид концентрических окружностей, расположенных вокруг проводника в плоскости, перпендикулярной проводнику. Направление силовых линий определяется по правилу буравчика.

Если буравчик вращать так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением тока в проводнике, то направление движения рукоятки укажет направление силовых линий.

Вокруг проводника с током возбуждается неоднородное магнитное поле. Неоднородное магнитное поле – магнитное поле, магнитные силовые линии которого в различных точках пространства имеют различные направления и величину. Это поле так же убывает при удалении от проводника с током обратно пропорционально расстоянию.

Напряженность зависит от полного тока, охватываемого линией l. На примере рисунка 3 видно, что ток течет только по проводнику, охватываемому линиями, и в данном случае на каждый контур он будет влиять одинаково по формуле:

где 2 π r – длина силовой линии l, I – сила тока.

Так же магнитные поля могут создаваться постоянными магнитами (рис. 4), в которых силовые линии идут частично внутри магнита от полюса к полюсу, а частично по внешнему пространству, и их большая часть сосредоточена на кратчайшем расстоянии от полюса к полюсу.

Рисунок 4 – Магнитное поле постоянных магнитов

Магнитное поле обладает следующими свойствами:

– силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, никогда не пересекаются и проходят через любую среду, в том числе вакуум;

– магнитное поле взаимодействует только с движущимися эклектическими зарядами, с неподвижными – не взаимодействует;

– магнитные поля взаимодействуют друг с другом, поля одного направления – отталкиваются (одинаковые полюса отталкиваются), поля различных направлений – притягиваются (разные полюса притягиваются);

– магнитные поля непрерывны в пространстве;

– при большом удалении от источника магнитные поля ослабевают настолько, что ими можно пренебречь.

На рисунках 2-4 приведены примеры магнитного поля в виде линий. Следует сразу отметить, что большая часть магнитных величин – векторные, то есть направленные. В физике есть величины, которые имеют смысл только когда они имеют какое-либо направление.

Например, если человек движется, то он имеет не нулевую скорость, если же он остановится, то скорость будет равна нулю, ее нет, и, следовательно – нет движения. Так и магнитное поле характеризуется силовыми величинами, показывающими направление притяжения или отталкивания.

1.2 Характеристики магнитного поля

Магнитная индукция

Магнитная индукция B – силовая характеристика магнитного поля, характеризующая его интенсивность в точке пространства, векторная величина. Это значит, что она характеризуется в каждой точке поля численным значением и направлением в пространстве.

В системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в «Теслах», Тл.

В системе единиц СГС – в «Гауссах», Гс.

Направление линии магнитной индукции в каждой точке магнитного поля совпадает с направлением касательной к магнитной линии (линии магнитной индукции), проходящей через эту точку.

При магнитном контроле B раскладывают на две составляющие (рис.5):

Рисунок 5 – Разложение вектора магнитной индукции на нормальную В_n и тангенциальную В_t составляющие

– нормальную составляющую В_n , направленную перпендикулярно к поверхности проверяемой детали;

– тангенциальную В_t , направленную вдоль поверхности или параллельно поверхности детали.

Магнитная индукция зависит от:

– размеров и формы проводника или катушки;

– магнитных свойств среды или магнитопровода той точки, в которой измеряется магнитная индукция.

Магнитную индукцию можно определить по механическому действию магнитного поля на проводник с током по правилу «левой руки» (рис. 6). Если ладонь левой руки поместить в магнитное поле так, чтобы силовые линии входили в ладонь и четыре вытянутых пальца ее указывали направление тока в проводнике, то отставленный большой палец покажет направление действия механической силы.

Магнитный поток

Магнитным потоком Ф называют величину, которая показывает общее действие магнитных силовых линий поля, проходящих через поперечное сечение магнитопровода или среды. В каждой отдельной точке сечения материала магнитная индукция может отличаться в силу свойств материала, но в целом через определенное заданное сечение проходит именно магнитный поток.

Рисунок 6 – Взаимодействие проводника с током и магнитного поля Физические

Единица измерения магнитного потока – Вб.

В однородном поле (в котором магнитная индукция соседних точек практически не отличается друг от друга) магнитный поток Ф, пронизывающий плоскость S, нормаль которой расположена под углом α к магнитным силовым линиям (рис.7), равен:

где S – площадь, м 2 .

Таким образом, магнитный поток Ф графически характеризуется совокупностью (количеством) силовых линий магнитного поля, а магнитная индукция В – их плотностью.

Из рис. 7 видно, что если мы лист развернем по отношению к потоку, то через него будет проходить меньше силовых линий, то есть поток будет слабее. А если лист повернем вдоль силовых линий, то весть поток пройдет мимо, cos α станет для угла 90° равным 0 и поток также станет равным нулю через такой лист (если, конечно, пренебречь его толщиной).

Рисунок 7 – Магнитный поток Ф через площадку S, расположенную под углом α к магнитным силовым линиям

Напряженность магнитного поля

Так как магнитная индукция зависит от свойств среды, то это обстоятельство усложняет технические расчеты. Поэтому введена теоретическая величина — напряженность магнитного поля H, которая зависит:

– размеров и формы источника, создающего магнитное поле,

– от места расположения точки по отношению к этому источнику.

Эта величина очень удобна для расчета создаваемого магнитного поля каким-либо проводником и без учета среды. Кроме того, так как измерения поля всегда происходят в воздухе, рядом с объектом контроля (ведь мы не можем погрузить датчик в твердое тело и изменить материал датчика на аналогичный измеряемому телу)), то напряженность поля всегда в этом случае пропорциональна магнитной индукции:

µ_a – величина, характеризующая магнитные свойства среды (абсолютная магнитная проницаемость), Гн/м.

Напряженность магнитного поля H не зависит от магнитных свойств среды, в которой создается магнитное поле:

Единицей измерения напряженности магнитного поля является — А/м.

Напряженность магнитного поля также является векторной величиной. Вектор H в однородной среде имеет одинаковое направление с вектором магнитной индукции.

Эту векторную величину также раскладывают на нормальную Н_n и тангенциальную Н_t составляющие напряженности магнитного поля, которые можно измерить у поверхности любого твердого объекта или в газообразной и жидкой среде.

Магнитная проницаемость

Все вещества обладают магнитными свойствами. Следовательно, все они могут реагировать на наличие внешнего магнитного поля.

Однако влияние внешних магнитных полей существенно отличается для разных материалов.

Абсолютная магнитная проницаемость, µ_a – скалярная (ненаправленная) величина, характеризует магнитные свойства среды (вещества) или способность материала пропускать через себя магнитное поле.

Единица измерения — Гн/м.

Опытным путем установлено, что абсолютная магнитная проницаемость вакуума равна:

На практике чаще используют относительную магнитную проницаемость µ , показывающую во сколько раз абсолютная проницаемость µ_a данной среды (материала) больше или меньше магнитной проницаемости вакуума:

а связь магнитной индукции и напряженности поля чаще приводят в виде:

В таком виде формула более логична, особенно в точке проведения магнитного контроля, так как показывает значение магнитной индукции в точке материала с учетом напряженности поля в этой точке, создаваемой неким намагничивающим устройством и магнитной проницаемостью и среды и вакуума, присутствующего в этой точке.

1.3 Магнитные свойства материалов

Материалы, подвергаясь действию магнитного поля, ведут себя в нем различно. Некоторые из них в поле магнита выталкиваются, а другие затягиваются. Первые называются диамагнитными, а вторые – парамагнитными материалами.

Из второго класса материалов выделяется еще довольно обширный третий класс материалов, так называемые «ферромагнитные» материалы.

Поэтому по значению μ все материалы делят на три группы:

Диамагнитные, у которых μ на несколько миллионных или тысячных долей меньше единицы (μ 1), их собственное магнитное поле оказывается направленным по внешнему полю;

К парамагнетикам относятся такие вещества: Al, Li, Na, K, Ti, V, U, O₂, NO, MnO, CuCl₂, NiSO₄ и др.

Парамагнитные материалы в отличие от диамагнетиков незначительно усиливают внешнее магнитное поле. Поле элементарных токов слегка разворачивается по направлению, совпадающему с внешним. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков на тысячные доли выше 1.

Ферромагнитные, у которых μ велико, выражается сотнями, тысячами и изменяется в зависимости от интенсивности магнитного поля. Они сильно притягиваются магнитным полем. К ним относятся железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Co), гадолиний (Gd), их сплавы и некоторые соединения, например, оскиды железа. Кроме того магнитная проницаемость ферромагнитных материалов меняется при намагничивании сложным образом, что будет рассмотрено в следующем разделе, а максимальное значение некоторых распространенных ферромагнетиков приведена в таблице 2.

Таблица 2 – Максимальная относительная магнитная проницаемость некоторых ферромагнетиков

Сталь обычного качества

2. НАМАГНИЧИВАНИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

2.1 Кривая первоначального намагничивания

Ферромагнетизм – магнитно упорядоченное состояние макроскопических объемов вещества (ферромагнетика), в котором магнитные моменты атомов (ионов) параллельны и одинаково ориентированы. Однако эти объемы, внутри которых магнитные моменты соседних атомов ориентированы одинаково, не бесконечны и не занимают всего объекта, иначе такие объекты были бы полностью намагничены всегда. В размагниченном состоянии ферромагнитный объект состоит из доменов (участков величиной в десятки микрометров), в которых магнитные моменты M направлены одинаково даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля, но у соседних доменов суммарные магнитные моменты могут быть направлены в разных направлениях, особенно в размагниченном состоянии. На рисунке 9 приведен пример размагниченного ферромагнетика с суммарным магнитным моментом, равным 0, когда три домена имеют направления намагничивания приводящие к такому состоянию.

Рисунок 9 – Ферромагнитный объект, состоящий из трех доменов и магнитные моменты его отдельных частиц

В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения в наиболее удобном направлении, обеспечивающим минимальную свободную энергию материала и обладает определенным суммарным магнитным моментом входящих в него частиц.

– высокими значениями магнитной проницаемости;

– доменной структурой, при этом при намагничивании домены, которые направлены в том же направлении что и внешнее намагничивающее поле, в основной фазе намагничивания, начинают расти за счет остальных доменов, разворачивая магнитные моменты соседних доменов в направлении намагничивания;

– обладают гистерезисом при перемагничивании, то есть не все магнитные моменты, при снятии внешнего намагничивающего поля, возвращаются в первоначальное направленное состояние;

Домены имеют размеры порядка 1-10 мкм. Каждое кристаллическое зерно разбивается на несколько доменов с различной ориентацией магнитных полей. Это обычно бывает при отсутствии внешнего поля.

В размагниченном материале магнитные поля доменов направлены хаотично и компенсируют друг друга так, что результирующее поле всех доменов в детали практически равно нулю. В этом случае говорят, что такой ферромагнетик размагничен.

Искажение магнитного поля, происходящее при внесении в него диамагнитных или парамагнитных тел незначительно. Напротив, магнитное поле искажается весьма существенно, если в него будут помещены ферромагнитные тела.

Железный образец, обладающий проницаемостью в сотни и тысячи раз большей магнитной проницаемости вакуума, вбирает в себя магнитное поле. Это явление характеризуется намагниченностью. Намагниченность М – векторная величина, характеризует состояние вещества при его намагничивании, А/м.

Намагничивание ферромагнитных материалов под действием внешнего поля объясняется тем, что поля отдельных областей (доменов) устанавливаются по направлению внешнего поля, их магнитные поля при этом суммируются. В результате образуется сильное поле намагниченной детали.

Намагниченность проверяемой детали зависит от напряженности поля Н, действующего на эту деталь.

Проще говорить об общем магнитном состоянии материала, когда учитываются все магнитные моменты атомов и молекул из которых состоит вещество и то пространство, которое они занимают, то есть сумма моментов деленная на объем, охватываемый этими моментами:

где такая величина называется намагниченностью материала, А/м; V – объем, м 3 .

Кривой первоначального намагничивания (КПН) называют графическое изображение функции В = f (Н), которую получают постепенным увеличением Н из состояния В = 0 и Н = 0 до В_max (рисунок 10).

Рисунок 10 – Изображение кривой первоначального намагничивания

Намагничивание – это процесс смещения доменных границ и заключающийся в том, что домены, энергетически более выгодно ориентированные в отношение намагничивающего (приложенного) поля, начинают расти за счет доменов, ориентированных менее выгодно. Рост этих доменов происходит путем смещения границ в сторону доменов, ориентированных противоположно или под большим углом к магнитному полю.

На КПН можно выделить пять участков, на каждом из которых преобладает определенный механизм намагничивания. Участок 1 (рис. 9) соответствует обратимым смещениям доменных границ. В области Рэлея (2) имеют место наряду с обратимыми также необратимые процессы смещения, и зависимость В(H) здесь квадратична.

Наиболее крутой участок КПН (3) соответствует максимальной восприимчивости и связан с необратимыми смещениями доменных границ. В области приближения к насыщению (4) основную роль играют процессы вращения M_s к направлению намагничивающего поля. Наконец, участок 5 характеризуется слабым ростом намагниченности.

Для магнитопорошкового контроля изделия обычно можно намагнитить до конца области 3 – начала области 4. Вид КПН зависит от скорости намагничивания, поэтому приводимые кривые обычно характерны для очень медленного намагничивания.

Магнитная индукция В характеризует суммарное магнитное поле, складываемое из внешнего поля и намагниченности того материала, в котором оно измеряется (рисунок 11):

Рисунок 11 – Кривая первоначального намагничивания

В ферромагнетике µзависит от напряженности магнитного поля Н, воздействующего на объект, и изменяется по кривой, представленной на рисунке 12. Это происходит потому, что фактически магнитная проницаемость отражает отношение магнитной индукции к напряженности магнитного поля, исходя из формулы 2. Таким образом, абсолютная магнитная проницаемость является отношением двух катетов с к b в выделенном треугольнике, а такое отношение, как известно, равно тангенсу угла α.

Рисунок 12 – Связь магнитной проницаемости с кривой первоначального намагничивания и напряженностью магнитного поля.

Как видно из графика на рис. 12, относительная магнитная проницаемость сначала возрастает, а затем уменьшается, и максимум приходится на точку 2, так как максимальный угол α приводит к максимальному значению тангенса угла наклона гипотенузы треугольника. Кроме того, в начальный момент намагничивания деталь имеет отличное от нуля значение магнитной проницаемости, так как кривая имеет уже какой-то наклон, пусть и относительно небольшой. Обычно начальная магнитная проницаемость в 2-5 раз меньше максимального значения этого параметра.

В дальнейшем повышение напряженности магнитного поля правее точки 2 приводит к постепенному снижению угла наклона такого изменяющегося треугольника и, соответственно, к постепенному снижению магнитной проницаемости.

2.2 Циклическое перемагничивание

При намагничивании детали переменным или периодически изменяющимся по направлению постоянным полем имеет место циклическое перемагничивание (рис. 13).

При перемагничивании ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда наблюдаются тепловые потери энергии, то есть материал нагревается. Эти потери обусловлены потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления ферромагнетика. Чем выше сопротивление – тем меньше потери на вихревые токи.

Слово гистерезис произошло от греческого hysterēsis – запаздывание. Гистерезис объясняется необратимыми изменениями, проявляющимися в различном течении прямых и обратных процессов. Характерная особенность магнитного гистерезиса – «отставание» намагниченности тела от напряженности намагничивающего поля.

Гистерезис препятствует намагничиванию ферромагнитных материалов. Его можно сравнить с внутренним трением. Более того развороты магнитных моментов действительно приводят к нагреву материала и ширина петли гистерезиса свидетельствует о величине энергии переходящей в тепло. Чем шире петля гистерезиса – тем больше нагревается материал при перемагничивании.

Рисунок 13 – Петля гистерезиса ферромагнетика и ее основные фазы

В ферромагнитных материалах из-за явления гистерезиса при уменьшении напряженности Н магнитная индукция В убывает не по кривой первоначального намагничивания, а по кривой, лежащей несколько выше нее. Когда же внешнее магнитное поле исчезает совсем, то в ферромагнитном материале сохраняется некоторая остаточная индукция В_r, величина которой определяется магнитными свойствами материала и характером магнитных воздействий, предшествовавших рассматриваемому состоянию. Остаточная индукция В_r принимает максимальное значение в том случае, если ферромагнитный материал предварительно намагнитить до насыщения, а затем напряженность магнитного поля уменьшить до нуля.

В_S – индукция технического насыщения.

H_S – напряженность магнитного поля, при которой достигается состояние технического магнитного насыщения материала образца.

В_r – остаточная индукция, т. е. оставшаяся в детали после снятия поля Н_s (остаточная намагниченность).

Индукция B обращается в нуль лишь под действием поля H_с, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность H_с называется коэрцитивной силой.

H_с – коэрцитивная сила (от лат. coërcitio – удерживание) – это напряженность магнитного поля, которое нужно приложить встречно намагниченности детали (предварительно намагниченной до насыщения), чтобы её полностью размагнитить.

Величины H_S, В_r, H_с являются основными магнитными характеристиками ферромагнетика и приводятся в справочниках.

Петля гистерезиса, достигающая области насыщения, называется предельной (максимальной) петлёй гистерезиса. Петля гистерезиса симметрична относительно начала координат.

Существование остаточной намагниченности делает возможным изготовление постоянных магнитов, т.е. тел, которые без затраты энергии на поддержание макроскопических токов обладают магнитным моментом и создают в окружающем их пространстве магнитное поле. Постоянный магнит тем лучше сохраняет свои свойства, чем больше коэрцитивная сила материала, из которого он изготовлен.

В зависимости от величины работы, необходимой для перемагничивания единицы объема ферромагнетика за один цикл перемагничивания, все ферромагнитные материалы разделяют на две группы: магнитомягкие (с узкой петлёй гистерезиса) и магнитотвердые (с широкой петлёй гистерезиса).

Материалы с узкой предельной петлей гистерезиса называют магнитомягкими и их обязательно надо контролировать способом приложенного поля и у них значения В_r и H_с малые. Условно к магнитомягким относят низко- и среднеуглеродистые и низколегированные стали, у которых В_r ≤ 0,53 Тл, а H_с ≤ 9,5 А/см. Среди деталей подвижного состава это колесная сталь, осевая сталь и большинство деталей тележки и автосцепного устройства. Материалы, у которых значения остаточной индукции и коэрцитивной силы больше указанных числовых значений, относят к магнитотвердым и их можно контролировать способом остаточной намагниченности. К таким деталям относят кольца подшипников, ролики, шестерни и зубчатые колеса, некоторые разновидности валов тягового и самоходного подвижного состава. К магнитотвердым материалам относятся углеродистые и легированные конструкционные стали (хромистые, вольфрамовые, кобальтовые), а также специальные сплавы, используемые для постоянных магнитов.

Конструкционные стали относятся, как правило, к группе ферромагнитных материалов с нормальными петлями гистерезиса, у которых отношение остаточной индукции Вr к максимальной Вs на предельной петле гистерезиса почти постоянно и равно 0,5-0,7. Как правило, магнитотвердые материалы обладают более низкими значениями магнитной проницаемости по отношению к материалам из магнитотвердых материалов.

Следует учесть, что магнитные характеристики существенным образом зависят не только от марки стали (химического состава), но и от режима термообработки.

При проведении магнитного контроля на ремонтных предприятиях выполненный ранее режим термообработки деталей, как правило, неизвестен. В таких случаях можно воспользоваться:

– прибором для измерения коэрцитивной силы материала изделия – коэрцитиметром или;

– имеющейся связью между твердостью и магнитными характеристиками сталей.

К магнитомягким материалам наряду с низкоуглеродистыми сталями и железоникелевыми сплавами относятся чугуны. Чугун как магнитомягкий материал имеет ряд особенностей по сравнению со сталью, а именно: его магнитные свойства меньше зависят от механических напряжений; меньше влияние температуры и вибрации на его магнитные свойства. Кроме того, чугунным отливкам можно легче придать выгодную для магнитного контроля конфигурацию.

В зависимости от назначения берутся ферромагнетики с той или иной характеристикой. Так, магнитомягкие материалы используют для статоров и роторов электромашин и магнитопроводов электромагнитных устройств (трансформаторы, дроссели, реле и т.д.). Магнитотвердые материалы применяют для постоянных магнитов, у которых коэрцитивная сила может быть повышена до 10 6 А/м.

Если технического насыщения не достигается, получаемая петля называется частным циклом или промежуточной. Частных циклов существует бесконечное множество, все они лежат внутри максимальной петли гистерезиса.

Если ферромагнитное тело подвергается действию полей одного знака, то такая петля так же называется частной петлёй гистерезиса (рис.14).

Важно отметить, что при достижении определенной температуры магнитная проницаемость ферромагнитных тел резко падает до значения, близкого к единице. Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества, носит название точки Кюри по имени французского физика Пьера Кюри (1859—1906).

В ферромагнетиках при температуре выше точки Кюри тепловое движение атомов кристалла разрушает параллельную ориентацию магнитных моментов, и ферромагнетизм исчезает: ферромагнетик становится парамагнетиком. Домены при этом исчезают. У железа точка Кюри равна 767 °С, у никеля — 360 °С, у кобальта — около 1130 °С. Таким образом, при нагреве металла постепенно уменьшается его ферромагнетизм, который можно полностью убрать, а ферромагнетик – размагнитить. Для того, чтобы в нем появилась остаточная индукция, его придётся вновь намагничивать.

Рисунок 14 – Семейство частных петель гистерезиса, образуемых при намагничивании напряженностью меньшей, чем до насыщения

Подводя итоги магнитным свойствам ферромагнетиков, можно сказать, что они обладают следующими характерными свойствами:

– любой ферромагнетик состоит из доменов – участков, внутри которых элементарные магнитные моменты имеют одинаковое направление;

– намагничивание полностью размагниченного ферромагнетика происходит по кривой первоначального намагничивания;

– перемагничивание изделия происходит по петле гистерезиса;

– зависимость магнитных свойств материала от температуры и величины точки Кюри;

– магнитное поле существенно искажается, если в него будут помещены ферромагнитные тела. Магнитные силовые линии пропорционально магнитной проницаемости проходят через ферромагнетик.

2.3 Размагничивающий фактор

Так как любые детали имеют конечную длину при их продольном намагничивании (рисунок 16) получается так, что в детали силовые линии направлены от одного полюса к другому, а с наружи, там где находятся частицы, силовые линии направлены в противоположную сторону. Чем короче деталь, тем большая величина и концентрация силовых линий, направленных в противоположную сторону около поверхности. Эти противоположные силовые линии ослабляют силу притяжения частиц к дефекту. Поэтому, чем короче деталь, тем слабее частицы порошка на ее поверхности, намагниченной продольно, будут притягиваться к дефекту. Такое действие называется – размагничивающим фактором и для коротких деталей требуется их удлинение для снижения его влияния.

Влияние размагничивающего фактора достаточно сложное и зависит от формы, размеров намагничиваемого объекта и его магнитных свойств. Его исследование можно проводить только математическими методами и экспериментально. Именно из-за размагничивающего фактора на каждом типе деталей приходится экспериментально определять степень ее намагниченности на поверхности контроля.

3. СОЗДАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ РАЗНЫМИ НАМАГНИЧИВАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ

Возникает вопрос, каким же образом возможно создание магнитного поля и перемагничивание, описываемое петлей гистерезиса.

Магнитное поле можно в любом объекте создать только двумя способами:

– поднесением намагниченного объекта (постоянного магнита), силовые линии которого будут пронизывать объект, а в силу его высокой магнитной проницаемости, силовые линии даже будут стараться проходить через объект намагничивания (рисунок 15) и таким образом намагничивать;

Рисунок 15 – Намагничивание объекта в поле постоянного магнита

– расположением рядом с намагничиваемым объектом проводника с током, а проходящий ток, создает магнитное поле вокруг себя, намагничивая объект.

Второй способ более распространен и имеет различные варианты применения, которые мы и рассмотрим в этой главе.

3.1. Магниты как намагничивающие устройства

Если магнитные поля доменов сохраняют или имеют преимущественную ориентацию после прекращения воздействия магнитного поля, то об этом материале говорят, как о постоянно намагниченном.

Если намагниченный стержень согнуть в петлю с плотно сжатыми или сваренными торцами, то магнитное поле будет полностью содержаться в замкнутой цепи внутри намагниченного материала.

Для использования магнитной энергии постоянных магнитов в замкнутом магнитопроводе создают воздушный зазор определенных размеров и конфигурации. Магнитное поле, создаваемая магнитами, используют для намагничивания объектов из ферромагнитных материалов.

Под магнитом понимается тело, обладающее способностью намагничивать (притягивать или отталкивать) предметы из железа и некоторых других металлов благодаря действию своего магнитного поля.

Магниты разделяются на два класса:

Изделие определенной разомкнутой формы, например, в виде подковы, полосы или стержня из предварительно намагниченного материала, способного сохранять значительную магнитную индукцию в течение длительного времени после устранения намагничивающего поля, называют постоянным магнитом (рис.16).

При делении магнита на части каждая из них представляет собой магнит с двумя полюсами. Отделить северный полюс от южного полюса не представляется возможным.

Считают, что магнитные силовые линии выходят из северного магнитного полюса и входят в южный полюс.

Известно, что одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Если стержневому магниту придать подковообразную форму, полярность сохранится, но при этом магнитное поле и силовые линии будут в значительной степени сконцентрированы в промежутке между концами стержня. Чаще для намагничивания используются постоянные магниты U – образной формы, которые называют подковообразными магнитами или ярмом.

Рисунок 16 – Постоянный магнит

Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.

Недостатком постоянных магнитов является то, что ими не всегда можно сильно намагнитить объект, а также регулировать намагниченность объектов.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается. Это явление называется старением магнита. Старение может быть обратимым и необратимым.

В случае обратимого старения при воздействии на постоянный магнит ударов, толчков, резких колебаний температуры, внешних постоянных полей происходит снижение его остаточной магнитной индукции B_r на 1…3 %; при повторном намагничивании свойства таких магнитов восстанавливаются.

Более надежным, стабильным и управляемым устройством является электромагнит (рисунок 17), который состоит из катушки, по которой течет ток, и магнитопровода (ферромагнитного сердечника) с высокой магнитной проницаемостью. По катушке течет ток, и в охватывающих его контурах возникает напряженность магнитного поля, которая тоже зависит и от протяженности контура, и от силы тока в катушке, и от количества витков, так как каждый виток – как бы новый ток внутри контура. Поэтому в катушках можно создать очень мощное магнитное поле с большой напряженностью, рассчитываемой по формуле:

H = I ·N / √(l 2 + d 2 ),

где N – число витков катушки; l – длина катушки; d – ее диаметр.

Учитывая, что магнитный поток внутри катушки практически однороден, можно считать, что во всем сердечнике примерно однородный поток, который и стремится замыкаться в направлении максимальной магнитной проницаемости, как показано на рисунке 17.

Рисунок 17 – Электромагнит

Электромагниты состоят из железного сердечника с обмоткой. Сердечники электромагнитов теряют свою намагниченность, когда внешнее поле удаляется. С этой точки зрения они могут быть названы «временными магнитами».

3.2. Магнитные поля вокруг магнитов

Магнитные силовые линии в различных точках пространства по отношению к магниту имеют различную плотность и направление. Если рассматривать магнит в виде цилиндра, то наибольшая интенсивность поля наблюдается на торцевых поверхностях, а наименьшая – в средней части цилиндрической поверхности.

Сила притяжения или отталкивания у магнита в разных местах различна; больше всего она на его концах — полюсах.

С увеличением расстояния от намагниченного образца интенсивность поля быстро уменьшается.

Ферромагнитные материалы можно намагнитить путем соприкосновения с постоянным магнитом или размещением их очень близко к магниту.

Магнитные поля, которые изображаются прямыми параллельными линиями одного направления, проведенными с одинаковой густотой и в каждой его точке векторы магнитной индукции имеют равные абсолютные значения, называются однородным.

Примером однородного поля является поле в средней части межполюсного пространства электромагнита с бесконечными плоскопараллельными полюсными наконечниками или внутри бесконечного соленоида (рис.18).

При использовании стержневого магнита один из полюсов устанавливают на намагничиваемое изделие. Силовые линии наведенного (индуцированного) магнитного поля будут проходить между точкой контакта (или наибольшего сближения) и полюсом индуцирующего магнита. Если стержневой магнит используется для намагничивания пластины или подобного ей объекта большой площади, то поле будет распространяться в радиальных направлениях от точки приложения магнита. Силовые линии подковообразного магнита являются прямыми между полюсами и радиально направленными непосредственно у полюсов.

Рисунок 18 – Магнитное поле в пространстве между двумя близко расположенными полюсами постоянных магнитов

3.3. Магнитные поля вокруг проводников с током

Намагничивание ферромагнитных материалов с помощью электрического тока можно осуществить путём:

а) Прямого намагничивания – пропусканием тока по изделию (рисунок 19) или его участку в результате использования ферромагнитного материала в качестве электрического проводника.

б) Непрямого или наведенного намагничивания – путем помещения детали во внешнее электромагнитное поле.

Рисунок 19 – Магнитное поле проводника: пропускание тока по детали (а) и распределение магнитного поля внутри и вокруг такого проводника (б)

Проводник может представлять собой стержень (прямой провод) или быть выполненным в виде одного или большего числа витков — катушкой.

Магнитные поля, возникающие вокруг деталей и проводников с токами, являются чаще всего неоднородными.

Проводник с количеством витков более одного называют соленоидом. Магнитные поля вокруг каждого витка катушки суммируются и образуют единое поле. В центре катушки магнитное поле направлено вдоль ее оси (рисунок 20), достаточно сильное и однородное, поэтому часто изготавливают соленоиды, внутри которых помещают детали для намагничивания и последующего контроля.

Рисунок 20 – Магнитное поле соленоида (а) и постоянного магнита (б)

Направление поля вокруг проводника с током может быть определено по правилу буравчика (штопора).

Для того, чтобы определить полный магнитный поток, проходящий через поверхность всех витков, нужно сложить потоки, проходящие через поверхности отдельных витков, или, иначе говоря, сцепляющиеся с отдельными витками.

Суммарный магнитный поток, пронизывающий все витки контура, называется потокосцеплением Ψ (пси):

Для замкнутого контура в виде тороида с намотанными витками кабеля:

где Ф – магнитный поток через один виток соленоида; N – число витков.

Потокосцепление Ψ, как и магнитный поток Ф, измеряется в веберах (Вб).

Величина магнитного потока в обмотках соленоида зависит от числа его витков N, силы тока I и его размеров.

Произведение N·I называется намагничивающей силой соленоида.

Напряжённостью поля соленоида Н называется часть намагничивающей силы, приходящейся на единицу длины магнитного пути l и определяется по формуле 6, однако в практике магнитопорошкового контроля чаще используют короткие соленоиды с большим диаметром, чтобы удобно было осматривать детали в приложенном поле, поэтому, при использовании формулы 6 и пренебрегая малой длиной l, получаем приближенную формулу для напряженности магнитного поля, формируемой в центре такого соленоида:

Внутри соленоида поле считается достаточно однородным, однако при приближении к его внутренним стенкам оно постепенно увеличивается и начинает сильно уменьшаться вне соленоида, поэтому, чтобы оценить напряженность поля на деталях, намагничиваемых в соленоиде, чаще всего используют экспериментальную оценку с помощью измерительных приборов (миллитесламетров, магнитометров и т.п.).

Существуют другие способы намагничивания с помощью проводников с током, например, пропусканием тока через проводник, продетый в полую деталь (рисунок 21). В этом случае эффективно намагничивается и внутренняя стенка и наружная полой детали, однако магнитное поле при этом замкнуто в детали и выявляет только продольные дефекты (почему это происходит подробно изложено в разделе 5). Существуют и другие способы намагничивания, получившие меньшее распространение.

Рисунок 21 – Намагничивание пропусканием тока по центральному проводнику

4. ВИДЫ ТОКОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

При проведении магнитопорошкового контроля намагничивание деталей осуществляют с помощью:

– переменного синусоидального тока;

– однополупериодного выпрямленного тока;

– двухполупериодного выпрямленного тока;

– выпрямленного однополупериодного и двухполупериодного трехфазного тока;

В таблице 3 приведены основные параметры применяемых для намагничивания токов.

Для получения переменного магнитного поля, как правило, используют переменный синусоидальный ток промышленной частоты (50 Гц) или повышенной частоты (100 ÷ 400 Гц).

Для получения постоянного магнитного поля, как правило, используют постоянный или выпрямленный ток.

Наиболее распространены переменный и постоянный токи при проведении магнитопорошкового контроля, но часто так же используют импульсный ток.

Импульсный ток – одиночные импульсы малой длительности постоянного или переменного тока.

При контроле способом приложенного поля рекомендуется использование переменного, постоянного и выпрямленных токов. Накопление порошка над дефектом определяется действующим значением тока.

При контроле способом остаточной намагниченности рекомендуется использование импульсного тока, но можно использовать постоянный и выпрямленные токи. При этом измеряют амплитудное значение импульсного тока, т. е. остаточная намагниченность определяется амплитудой намагничивающего тока.

Таблица 3 – Виды токов, применяемых для намагничивания и их основные характеристики

Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током

1. Опыт Эрстеда заключается в следующем. На столе располагают магнитную стрелку, которая ориентируется с севера на юг в магнитном поле Земли, и параллельно ей сверху проводник, соединённый с источником тока (см. рис. 81). При замыкании цепи стрелка повернётся на 90° и встанет перпендикулярно проводнику.

При размыкании цепи стрелка вернётся в первоначальное положение. Если изменить направление тока на противоположное, то стрелка повернётся в обратную сторону. Опыт Эрстеда доказывает, что вокруг проводника, по которому течёт электрический ток, существует магнитное поле, которое действует на магнитную стрелку.

Опыт Эрстеда показал существование взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями.

Об этой взаимосвязи свидетельствует и опыт, известный как опыт Ампера. Если по двум длинным параллельно расположенным проводникам пропустить электрический ток в одном направлении, то они притянутся друг к другу; если направление тока будет противоположным, то проводники оттолкнутся друг от друга. Это происходит потому, что вокруг одного проводника возникает магнитное поле, которое действует на другой проводник с током. Если ток будет протекать только по одному проводнику, то проводники не будут взаимодействовать.

Таким образом, вокруг движущихся электрических зарядов или вокруг проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле действует на движущиеся заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не действует.

Силовой характеристикой магнитного поля является величина, называемая магнитной индукцией. Обозначается магнитная индукция буквой ​ \( B \) ​. Магнитная индукция является векторной величиной, т.е. имеет определённое направление. Это наглядно проявляется в опыте со взаимодействием параллельных проводников с током. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки в данной точке поля.

2. Обнаружить магнитное поле вокруг проводника с током можно с помощью либо магнитных стрелок, либо железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и становятся магнитными стрелками. На рисунке 87 изображён проводник, пропущенный через лист картона, на который насыпаны железные опилки. При прохождении по проводнику электрического тока опилки располагаются вокруг него по концентрическим окружностям.

Линии, вдоль которых располагаются в магнитном поле магнитные стрелки или железные опилки, называют линиями магнитной индукции. Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, принято за направление линий магнитной индукции. Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линии магнитной индукции в каждой точке поля.

Как следует из результатов опыта Эрстеда и опыта по взаимодействию параллельных проводников с током, направление линий вектора магнитной индукции (и линий магнитной индукции) зависит от направления тока в проводнике. Направление линий магнитной индукции можно определить с помощью правила буравчика. Для линейного проводника оно следующее: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции.

3. Если пропустить электрический ток по катушке, то опилки расположатся, как показано на рисунке 88.

Картина линий магнитной индукции свидетельствует о том, что катушка с током становится магнитом. Если катушку с током подвесить, то она повернётся южным полюсом на юг, а северным — на север (рис. 89).

Следовательно, катушка с током имеет два полюса: северный и южный. Определить полюса, которые появляются на её концах можно, если известно направление электрического тока в катушке. Для этого пользуются правилом буравчика: если направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением тока в катушке, то направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции внутри катушки (рис. 90).

4. Тела, длительное время сохраняющие магнитные свойства, или намагниченность, называют постоянными магнитами. Поднося магнит к железным опилкам, можно заметить, что они притягиваются к концам магнита и практически не притягиваются к его середине. Те места магнита, которые производят наиболее сильное магнитное действие, называются полюсами магнита. Магнит имеет два полюса: северный — N и южный — S. Принято северный полюс магнита окрашивать синим цветом, а южный — красным. Если полосовой магнит разделить на две части, то каждая из них окажется магнитом с двумя полюсами.

Положив на постоянный магнит лист бумаги или картона и насыпав на него железные опилки, можно получить картину его магнитного поля (рис. 91). Линии магнитной индукции постоянных магнитов замкнуты, все они выходят из северного полюса и входят в южный, замыкаясь внутри магнита.

Магнитные стрелки и магниты взаимодействуют между собой. Разноимённые магнитные полюсы притягиваются друг к другу, а одноимённые — отталкиваются. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что магнитное поле одного магнита действует на другой магнит и, наоборот, магнитное поле 2-го магнита действует на 1-й.

Причиной наличия у веществ магнитных свойств является движение электронов, существующих в каждом атоме. При своём движении вокруг атома электроны создают магнитные поля. Если эти поля имеют одинаковую ориентацию, то вещество, например железо или сталь, намагничены достаточно сильно.

5. Магнитное поле действует на проводник с током. Доказать это можно с помощью эксперимента (рис. 92).

Если в поле подковообразного магнита поместить проводник длиной ​ \( l \) ​, подвешенный на тонких проводах, соединить его с источником тока, то при разомкнутой цепи проводник останется неподвижным. Если замкнуть цепь, то по проводнику пойдёт электрический ток, и проводник отклонится в магнитном поле от своего первоначального положения. При изменении направления тока проводник отклонится в противоположную сторону. Таким образом, на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила, которую называют силой Ампера.

Экспериментальное исследование показывает, что сила Ампера прямо пропорциональна длине проводника ​ \( l \) ​ и силе тока ​ \( I \) ​ в проводнике: ​ \( F\sim Il \) ​. Коэффициентом пропорциональности в этом равенстве является модуль вектора магнитной индукции ​ \( B \) ​. Соответственно, ​ \( F=BIl \) ​.

Сила, действующая на проводник с током, помещённый в магнитное поле, равна произведению модуля вектора магнитной индукции, силы тока и длины той части проводника, которая находится в магнитном поле.

В таком виде зависимость силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, записыватся в том случае, если линии магнитной индукции перпендикулярны проводнику с током.

Формула силы Ампера, позволяет раскрыть смысл понятия вектора магнитной индукции. Из выражения для силы Ампера следует: ​ \( B=\frac \) ​, т.е. магнитной индукцией называется физическая величина, равная отношению силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, к силе тока и длине проводника, находящейся в магнитном поле.

Из приведённой формулы понятно, что магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля.

Единица магнитной индукции ​ \( [В] = [F]/[I][l] \) ​. ​ \( [B] \) ​ = 1 Н/(1 А · 1 м) — 1 Н/(А · м) = 1 Тл. За единицу магнитной индукции принимают магнитную индукцию такого поля, в котором на проводник длиной 1 м действует сила 1 Н при силе тока в проводнике 1 А.

Направление силы Ампера определяют, пользуясь правилом левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца направлены по направлению тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на проводник (рис. 93).

6. Движение проводника с током в магнитном поле лежит в основе работы электрического двигателя. Если поместить прямоугольную рамку в магнитное поле и пропустить по ней электрический ток, то рамка повернётся (рис. 94), потому, что на стороны рамки действует сила Ампера. При этом сила, действующая на сторону рамки ​ \( ab \) ​, противоположна силе, действующей на сторону ​ \( cd \) ​.

Для того чтобы рамка не остановилась в тот момент, когда её плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции, и продолжала вращаться, изменяют направление тока в проводнике. Для этого к концам рамки припаяны полукольца, по которым скользят контакты, соединённые с источником тока. При повороте рамки на 180° меняются контактные пластины, которых касаются полукольца и, соответственно, направление тока в рамке.

В электрическом двигателе энергия электрического и магнитного полей превращается в механическую энергию.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. На рисунке показано, как установилась магнитная стрелка между полюсами двух одинаковых магнитов. Укажите полюса магнитов, обращённые к стрелке.

1) 1 — S, 2 — N
2) 1 — А, 2 — N
3) 1 — S, 2 — S
4) 1 — N, 2 — S

2. Па рисунке представлена картина линий магнитного поля от двух полосовых магнитов, полученная с помощью магнитной стрелки и железных опилок. Каким полюсам полосовых магнитов соответствуют области 1 и 2?

1) 1 — северному полюсу; 2 — южному
2) 1 — южному; 2 — северному полюсу
3) и 1, и 2 — северному полюсу
4) и 1, и 2 — южному полюсу

3. При прохождении электрического тока по проводнику магнитная стрелка, находящаяся рядом, расположена перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока на противоположное. Стрелка

1) повернётся на 90°
2) повернётся на 180°
3) повернётся на 90° или на 180° в зависимости от значения силы тока
4) не изменит свое положение

4. Проводник, по которому протекает электрический ток, расположен перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок). Расположение какой из магнитных стрелок, взаимодействующих с магнитным полем проводника с током, показано правильно?

5. Из проводника сделали кольцо и по нему пустили электрический ток. Ток направлен против часовой стрелки (см. рисунок). Как направлен вектор магнитной индукции в центре кольца?

1) вправо
2) влево
3) на нас из-за плоскости чертежа
4) от нас за плоскость чертежа

6. По катушке идёт электрический ток, направление которого показано на рисунке. При этом на концах железного сердечника катушки

1) образуются магнитные полюса — на конце 1 — северный полюс, на конце 2 — южный
2) образуются магнитные полюса — на конце 1 — южный полюс, на конце 2 — северный
3) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — отрицательный заряд, на конце 2 — положительный
4) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — положительный заряд, на конце 2 — отрицательный

7. Два параллельно расположенных проводника подключили параллельно к источнику тока.

Направление электрического тока и взаимодействие проводников верно изображены на рисунке

8. В однородном магнитном поле на проводник с током, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок), действует сила, направленная

1) вправо →
2) влево ←
3) вверх ↑
4) вниз ↓

9. Сила, действующая на проводник с током, который находится в магнитном поле между полюсами магнита направлена

1) вверх ↑
2) вниз ↓
3) направо →
4) налево ←

10. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?

1) вверх ↑
2) вправо →
3) вниз ↓
4) влево ←

11. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Вокруг неподвижных зарядов существует магнитное поле.
2) Вокруг неподвижных зарядов существует электростатическое поле.
3) Если разрезать магнит на две части, то у одной части будет только северный полюс, а у другой — только южный.
4) Магнитное поле существует вокруг движущихся зарядов.
5) Магнитная стрелка, находящаяся около проводника с током, всегда поворачивается вокруг своей оси.

12. Электрическая схема содержит источник тока, проводник АВ, ключ и реостат. Проводник АВ помещён между полюсами постоянного магнита (см. рисунок).

Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) При перемещении ползунка реостата влево сила Ампера, действующая на проводник АВ, увеличится.
2) При замкнутом ключе проводник будет выталкиваться из области магнита вправо.
3) При замкнутом ключе электрический ток в проводнике имеет направление от точки В к точке А.
4) Магнитные линии поля постоянного магнита в области расположения проводника АВ направлены вертикально вниз.
5) Электрический ток, протекающий в проводнике АВ, создаёт однородное магнитное поле.

Часть 2

13. Участок проводника длиной 0,1 м находится в магнитном поле индукцией 50 мТл. Сила тока, протекающего по проводнику, 10 А. Какую работу совершает сила ампера при перемещении проводника на 8 см в направлении своего действия? Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.