Магнитный поток в катушке: 42 — магнитный поток в катушке с током • 31415.ru

Содержание

42 — магнитный поток в катушке с током • 31415.ru

Магнитный поток катушки индуктивности L с током I.

Ф — магнитный поток, Вб (Вебер)
L — индуктивность катушки, Гн (Генри)
I — сила тока, А (Ампер)


Катушка индуктивности состоит из витков изолированного проводника. Обычно это витки медного провода, покрытого краской или любой не проводящей оболочкой. Основная особенность катушки в том, что при пропускании электрического тока, она становится электромагнитом. То есть начинает создавать магнитное поле. При постоянном токе свойства катушки ничем не примечательны — это кусок провода, который можно заменить перемычкой.

При подключении к катушке переменного напряжения начинаются удивительные вещи. Ток меняется, а значит меняется сила магнитного поля, которое создает катушка. Меняется магнитная индукция создаваемая витками и следовательно меняется магнитный поток. А согласно закону электромагнитной индукции — изменение магнитного потока приводит к появлению ЭДС.

Проще говоря, переменный ток превращает катушку в электрогенератор. Причем генерируемый ток направлен противоположно внешнему току. Но стоит отметить, что так можно говорить только с математической точки зрения, с точки зрения формул. На практике, изменение тока в катушке похоже на удар рукой по водной глади: чем медленнее движется рука, тем меньше сопротивление со стороны воды, но чем быстрее движется рука, тем большее сопротивление она испытывает при ударе об жидкость. Это явление в физике называется самоиндукцией. Индуктивность катушки называют также коэффициентом самоиндукции.

Что такое индуктивность, как она зависит от числа витков и других параметров — лучше всего разбирать на практике.

В этом видео, на практических примерах показаны все основные свойства катушки индуктивности.

 

В обычной жизни люди практически не встречаются с измерением индуктивностей и магнитных потоков, поэтому эти термины запоминаются не очень хорошо.
Простой способ усвоить эти термины — это разобраться с принципом работы металлоискателей и металлодетекторов. Стойки металлодетекторов можно наблюдать на вокзалах и в торговых центрах. Если вы поймете как они работают, станет понятна важность таких терминов как индуктивность и магнитный поток.

 

Задача 42.
При силе тока 10 А, в катушке возникает магнитный поток 50 мВб. Чему равна индуктивность катушки.
Показать ответОтвет: L=0,005 Гн
 

 

 

Самоиндукция. Энергия магнитного поля.

Определение 1

Самоиндукция – это значимый частный случай электромагнитной индукции, когда магнитный поток, изменяясь и вызывая ЭДС индукции, создается током в самом контуре.

В случае, когда ток рассматриваемого контура по каким-либо причинам изменен, то имеет место изменение и магнитного поля этого тока, а значит и собственного магнитного потока, проходящего через контур.

В контуре создается ЭДС самоиндукции, создавая препятствие для изменений тока в контуре (по правилу Ленца).

Собственный магнитный поток Φ, который проходит через контур или катушку с током, является пропорциональным силе тока I: Φ=LI.

Определение 2

Коэффициент пропорциональности L в формуле Φ=LI есть коэффициент самоиндукции или индуктивность катушки. Единица индуктивности в СИ носит название генри (Гн). Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, когда при силе постоянного тока 1 А собственный поток составляет 1 Вб: 1 Гн=1 Вб1 А.

Расчет индуктивности

Пример 1

Для наглядности произведем расчет индуктивности длинного соленоида, который имеет N витков, площадь сечения S и длину l. Соленоид – это цилиндрическая катушка индуктивности, у которой длина много больше диаметра. Магнитное поле соленоида задается формулой:

B=μ0nI,

где I является обозначением тока в соленоиде, n = Ne указывает число витков на единицу длины соленоида.

Магнитный поток внутри катушки соленоида, проходящий через все N витков, составляет:

Φ=B·S·N=μ0n2Sl

Таким образом, индуктивность соленоида будет выражена формулой:

L=μ0n2S·l=μ0n2V,

где V=Sl – объем соленоида, содержащий магнитное поле.

Результат, который мы получили, не берет в расчет краевых эффектов, а значит он является приближенно верным лишь для катушек достаточной длины. Когда соленоид заполнен веществом, имеющим магнитную проницаемость μ, при заданном токе I индукция магнитного поля будет возрастать по модулю в μ раз, а значит и индуктивность катушки с сердечником тоже получит увеличение в μ раз:

Lμ=μ·L=μ0·μ·n2·V.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание Определение 3

ЭДС самоиндукции, которая возникает в катушке при постоянном значении индуктивности, в соответствии с законом Фарадея записывается в виде формулы:

δинд=δL=-∆Φ∆t=-L∆I∆t.

ЭДС самоиндукции является прямо пропорциональной индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней.

Магнитное поле выступает носителем энергии. Так же, как заряженный конденсатор обладает запасом электрической энергии, катушка, по виткам которой проходит ток, обладает запасом магнитной энергии. Включив электрическую лампу параллельно катушке с большой индуктивностью в электрическую цепь постоянного тока, при размыкании ключа будем наблюдать короткую вспышку лампы (рис. 1.21.1). Ток в цепи появится под влиянием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, которая будет выделяться в этом процессе электрической цепью, будет служить магнитное поле катушки.

Рисунок 1.21.1. Магнитная энергия катушки. В момент размыкания ключа K лампа ярко вспыхнет.

Закон сохранения энергии позволяет говорить, что вся энергия, составляющая запас катушки, будет выделена в виде джоулева тепла. Обозначим как Rполное сопротивление цепи, тогда за время Δt будет выделено количество теплоты ΔQ=I2·R·Δt.

Ток в цепи составляет:

I=δLR=-LR∆I∆t

Выражение для ΔQ можем записать так:

∆Q=-L·I·∆I=-Φ(I)∆I

В данной записи ΔI < 0; значение тока в цепи постепенно снижается от изначального I0 до нуля. Полное количество теплоты, которое выделится в цепи, возможно получить, осуществив действие интегрирования в пределах от I0 до 0. Тогда получим:

Q=LI022

Графический вывод формулы

Существует возможность получить записанную формулу, используя графический метод. Для этого отобразим на графике зависимость магнитного потока Φ(I) от тока I (рис. 1.21.2). Полное количество выделившейся теплоты, которое равно изначальному запасу энергии магнитного поля, определится как площадь получившегося на рис. 1.21.2 треугольника:

Рисунок 1.21.2. Вычисление энергии магнитного поля.

В итоге формула энергии Wм магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, будет записана в виде формулы:

Wм=ΦI2=LI22=Φ22L

Используем выражение, которое мы получили, для энергии катушки к длинному соленоиду с магнитным сердечником. Применяя указанные выше формулы для коэффициента самоиндукции Lμ соленоида и для магнитного поля B, создаваемого током I, получим запись:

Wм=μ0·μ·n2·I22V=B22μ0·μV

В этой формуле V является объемом соленоида. Полученное выражение демонстрирует нам, что магнитная энергия имеет локализацию не в витках катушки, по которым проходит ток, а распределена по всему объему, в котором возникло магнитное поле.

Определение 4

Объёмная плотность магнитной энергии – это физическая величина, которая равна энергии магнитного поля в единице объема: Wм=B22μ·μ.

В свое время Максвелл продемонстрировал, что указанная формула (в нашем случае выведенная для длинного соленоида) верна для любых магнитных полей.

“Катушка, вращающаяся в магнитном поле ”

    На юбилейной 20 научно-практической конференции «Шаг в будущее» учащийся 9 класса ГАООРТ ГЛРТ Менги Сан-оол с работой “Катушка, вращающаяся в магнитном поле ” занял первое место в секции «Физика» под руководством учителя физики лицея Сергеевой Натальи Александровны.

 

    В наше время быт человека невозможно представить без применения электроэнергии. Получение, передача и использование переменного тока основано на взаимосвязи электрического и магнитного полей и, в частности, на явлении электромагнитной индукции. Открыл явление электромагнитной индукции Майкл Фарадей в 1831 году. Благодаря открытиям Майкла Фарадея в домах есть свет и тепло, функционируют индукционные и микроволновые печи, возможна сотовая связь. Закон электромагнитной индукции является одним из фундаментальных законов электромагнетизма.

 

 

 

 

Цель работы: Изготовить прибор для экспериментальной проверки закона электромагнитной индукции Фарадея.

Для достижения цели были решены задачи:

изучена информация по данной теме.
изготовлен прибор для демонстрации явления электромагнитной индукции.
экспериментально проверен закон электромагнитной индукции.
Своими опытами, М. Фарадей доказал, что при всяком изменении магнитного потока, в проводнике возникает индукционный ток.

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Чтобы экспериментально это подтвердить, нужно уметь измерять ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока. Последнее кажется наиболее трудным, так как нет приборов для измерения величины магнитного потока. Если виток вращать в однородном постоянном магнитном поле тогда магнитный поток через него будет периодически изменяться, и скорость этого изменения можно определить по угловой скорости вращения витка. Чтобы экспериментально подтвердить теорию, необходимо работать не с отдельным витком, а с катушкой, состоящей из множества витков, так как это увеличит ЭДС индукции. Возникающая в катушке из N витков ЭДС индукции в N раз больше, чем для одного витка. В качестве измерительного прибора применен светодиод. Светодиод — это малоинерционный полупроводниковый источник света, который зажигается при определенном пороговом напряжении. Светодиод начинает светиться, когда ЭДС индукции превышает напряжение зажигания.

Так как светодиоды пропускают ток только в одном направлении, катушка со светодиодами при вращении в магнитном поле обозначит две симметричные дуги разного цвета. Длина отрезка, соединяющего ближайшие концы светящихся дуг, обратно пропорциональна индукции магнитного поля и угловой скорости вращения в нем катушки. Если эксперимент подтвердит справедливость этого вывода, то тем самым будет обоснована справедливость закона электромагнитной индукции.

 

 

 

 

Экспериментальное оборудование.

Ход эксперимента

Опыт 1. К неподвижной катушке быстро подносили магнит. При этом один из светодиодов загорался. Если резко удаляли магнит от сердечника – загорался другой светодиод. Отсюда следует, что при изменении магнитного потока в катушке возникает ЭДС индукции, в зависимости от направления которой загорается синий или зеленый светодиод.

20Опыт 2. Катушка приводилась во вращение и к ней медленно приближался магнит. При этом возникали светящиеся дуги, разделенные промежутками. Отрезок, соединяющий эти промежутки, параллелен направлению магнитного поля. Светящиеся дуги становились ярче и увеличивались в размерах по мере роста скорости вращения катушки и приближения к ней магнита. При изменении направления вращения катушки или направления магнитного поля на противоположное разноцветные дуги меняются местами.

Заключение

Был собран прибор для демонстрации зависимости ЭДС индукции от скорости изменения магнитного потока. Прибор позволяет наглядно убедиться в зависимости ЭДС индукции от угла поворота витка в постоянном магнитном поле. Таким образом, поставленная цель была достигнута. Исследование по данной тематике, в перспективе, можно углубить и расширить. Например, исследовать вращение катушки в переменном магнитном поле, а также разработать компьютерную программу для исследования зависимости ЭДС индукции от угла поворота витка в постоянном магнитном поле при различных значениях скорости вращения витка и индукции магнитного поля.

 

 

 

Источники:

В. Майер, Р. Майер. Лаборатория на коленке. – М.: Бюро Квантум, 2009. – 160 с (Библиотечка «Квант». Вып. 112. Приложение к журналу «Квант» № 4/2009)

Меняется ли магнитный поток пронизывающий катушку. Разработка урока»Опыты Фарадея. Электромагнитная индукция». Лабораторная работа «Исследование явления электромагнитной индукции». Изучение явления электромагнитной индукции

Вы уже знаете, что вокруг электрического тока всегда существует магнитное поле. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

Но если электрический ток, как говорят, «создаёт» магнитное поле, то не существует ли обратного явления? Нельзя ли с помощью магнитного поля «создать» электрический ток?

Такую задачу в начале XIX в. пытались решить многие учёные. Поставил её перед собой и английский учёный Майкл Фарадей. «Превратить магнетизм в электричество» — так записал в своём дневнике эту задачу Фарадей в 1822 г. Почти 10 лет упорной работы потребовалось учёному для её решения.

Майкл Фарадей (1791-1867)
Английский физик. Открыл явление электромагнитной индукции, экстратоки при замыкании и размыкании

Чтобы понять, как Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество», выполним некоторые опыты Фарадея, используя современные приборы.

На рисунке 119, а показано, что если в катушку, замкнутую на гальванометр, вдвигается магнит, то стрелка гальванометра при этом отклоняется, указывая на появление индукционного (наведённого) тока в цепи катушки. Индукционный ток в проводнике представляет собой такое же упорядоченное движение электронов, как и ток, полученный от гальванического элемента или аккумулятора. Название «индукционный» указывает только на причину его возникновения.

Рис. 119. Возникновение индукционного тока при движении магнита и катушки относительно друг друга

При извлечении магнита из катушки снова наблюдается отклонение стрелки гальванометра, но в противоположную сторону, что указывает на возникновение в катушке тока противоположного направления.

Как только движение магнита относительно катушки прекращается, прекращается и ток. Следовательно, ток в цепи катушки существует только во время движения магнита относительно катушки.

Опыт можно изменить. На неподвижный магнит будем надевать катушку и снимать её (рис. 119, б). И опять можно обнаружить, что во время движения катушки относительно магнита в цепи снова появляется ток.

На рисунке 120 изображена катушка А, включённая в цепь источника тока. Эта катушка вставлена в другую катушку С, подключённую к гальванометру. При замыкании и размыкании цепи катушки А в катушке С возникает индукционный ток.

Рис. 120. Возникновение индукционного тока при замыкании и размыкании электрической цепи

Можно вызвать появление индукционного тока в катушке С и путём изменения силы тока в катушке А или движением этих катушек относительно друг друга.

Проделаем ещё один опыт. Поместим в магнитное поле плоский контур из проводника, концы которого соединим с гальванометром (рис. 121, а). При повороте контура гальванометр отмечает появление в нём индукционного тока. Ток будет появляться и в том случае, если рядом с контуром или внутри него вращать магнит (рис. 121, б).

Рис. 121. При вращении контура в магнитном поле(магнита относительно контура) изменение магнитного потока приводит к возникновению индукционного тока

Во всех рассмотренных опытах индукционный ток возникал при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь.

В случаях, изображённых на рисунках 119 и 120, магнитный поток менялся за счёт изменения индукции магнитного поля. Действительно, при движении магнита и катушки относительно друг друга (см. рис. 119) катушка попадала в области поля с большей или меньшей магнитной индукцией (так как поле магнита неоднородное). При замыкании и размыкании цепи катушки А (см. рис. 120) индукция создаваемого этой катушкой магнитного поля менялась за счёт изменения силы тока в ней.

При вращении проволочного контура в магнитном поле (см. рис. 121, а) или магнита относительно контура (см. рис. 121, б») магнитный поток менялся за счёт изменения ориентации этого контура по отношению к линиям магнитной индукции.

Таким образом,

  • при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную замкнутым проводником, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока

В этом и заключается явление электромагнитной индукции.

Открытие электромагнитной индукции принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX в. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.

На основании явления электромагнитной индукции были созданы мощные генераторы электрической энергии, в разработке которых принимали участие учёные и техники разных стран. Среди них были и наши соотечественники: Эмилий Христианович Ленц, Борис Семёнович Якоби, Михаил Иосифович Доливо-Добровольский и другие, внёсшие большой вклад в развитие электротехники.

Вопросы

  1. С какой целью ставились опыты, изображённые на рисунках 119-121? Как они проводились?
  2. При каком условии в опытах (см. рис. 119, 120) в катушке, замкнутой на гальванометр, возникал индукционный ток?
  3. В чём заключается явление электромагнитной индукции?
  4. В чём важность открытия явления электромагнитной индукции?

Упражнение 36

  1. Как создать кратковременный индукционный ток в катушке К 2 , изображённой на рисунке 118?
  2. Проволочное кольцо помещено в однородное магнитное поле (рис. 122). Стрелочки, изображённые рядом с кольцом, показывают, что в случаях а и б кольцо движется прямолинейно вдоль линий индукции магнитного поля, а в случаях в, г и д — вращается вокруг оси ОО». В каких из этих случаев в кольце может возникнуть индукционный ток?

Студент должен:

уметь: обращаться с физическими приборами и использовать их при проведении лабораторных работ; исследовать явление электромагнитной индукции – определить от чего зависят величина и направление индукционного тока; пользоваться необходимой справочной литературой;

знать: методы измерения мощности, потребляемой электроприбором; зависимости мощности, потребляемой лампочкой от напряжения на её зажимах; исследовать зависимость сопротивления проводника от температуры.

Обеспеченность занятия

Оборудование и инструменты: миллиамперметр, катушка-моток, магнит дуго­образный, магнит полосовой, источник постоян­ного тока, две катушки с сердечниками, реостат, ключ, длинный провод, соединительные провода.

Раздаточные материалы:

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Индукционный ток в замкнутом контуре возникает при изменении магнитного потока через площадь, ограниченную контуром. Изменение магнитного потока через контур можно осуществить двумя различными способами:

1) изменением во времени магнитного поля, в котором находится неподвижный контур при вдвигании магнита в катушку или при выдвигании;

2) движением этого контура (или его частей) в постоянном магнитном поле (например, при надевании катушки на магнит).

Инструкция по выполнению лабораторной работы

Катушку-моток подключите к зажимам миллиамперметра, а затем надевайте и снимайте ее с северного полюса дугообразного магнита с различной скоростью (см. рисунок), и для каждого случая замечайте максимальную и минимальную силу индукционного тока и направление отклонения стрелки прибора.

Рисунок 9.1

1. Переверните магнит и вдвиньте медленно южный полюс магнита внутрь катушки, а затем выдвиньте его. Повторите опыт с большей скоростью. Обратите внимание на то, куда в этот раз отклонялась стрелка миллиамперметра.

2. Сложите два магнита (полосовой и дугообразный) одноименными полюсами и повторите эксперимент с разной скоростью движения магнитов в катушке.

3. Подключите к зажимам миллиамперметра вместо катушки длинный провод, свернутый в несколько витков. Надевая и снимая витки провода с полюса дугообразного магнита, заметьте максимальную силу индукционного тока. Сравните ее с максимальной силой индукционного тока, полученной в опытах с тем же магнитом и катушкой, и обнаружьте зависимость ЭДС индукции от длины (числа витков) про­водника.

4. Проанализируйте ваши наблюдения и сделайте выводы относительно причин, от которых зависят величина индукционного тока и его направление.

5. Соберите цепь, изображенную на рисунке 1. Катушки со вставленными в них сердечниками должны быть расположены близко одна к другой и так, чтобы их оси совпадали.

6. Проведите следующие эксперименты:

а) поставьте ползунок реостата в положение, соответствующее минимальному сопротивлению реостата. Замкните цепь ключом, наблюдая за стрелкой миллиамперметра;

б) разомкните цепь ключом. Что изменилось?

в) поставьте ползунок реостата в среднее положение. Повторите опыт;

г) поставьте ползунок реостата в положение, соответствую шее максимальному сопротивлению реостата. Замкните и разомкните цепь ключом.

7. Проанализируйте ваши наблюдения и сделайте выводы.

Лабораторная работа № 10

УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРА

Студент должен:

уметь: определять коэффициент трансформации; пользоваться необходимой справочной литературой;

знать: устройство и принцип работы трансформатора.

Обеспеченность занятия

Оборудование и инструменты: источник регулируемого переменного напряже­ния, трансформатор лабораторный разборный, вольтметры переменного тока (или авометр), ключ, провода соединительные;

Раздаточные материалы: данные методические рекомендации по выполнению лабораторных работ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ» Цель урока 6 изучить явление электромагнитной индукции. Оборудование: миллиамперметр, катушка-моток, источник питания, катушка с железным сердечником от разборного электромагнита, реостат, ключ, провода соединительные, магнит. Ход работы 1. Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра. 2. Наблюдая за показаниями миллиамперметра, подводите один из полюсов магнита к катушке, потом на несколько секунд остановите магнит, а затем вновь приближайте его к катушке, двигая в нее. 3. Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток во время движения магнита относительно катушки? Во время его остановки? 4. Запишите, менялся ли магнитный поток Ф, пронизывающий катушку, во время движения магнита? Во время его остановки? 5. На основании ваших ответов на предыдущий вопрос, сделайте и запишите вывод о том, при каком условии в катушке возникал индукционный ток. 6. Почему при приближении магнита к катушке магнитный поток, пронизывающий эту катушку, менялся? (для ответа на этот вопрос вспомните, во-первых, от каких величин зависит магнитный поток Ф и, во-вторых, одинаков ли модуль вектора магнитной индукции В магнитного поля постоянного магнита вблизи этого магнита и вдали от него.) 7. О направлении тока в катушке можно судить по тому, в какую сторону от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра. Проверьте, одинаковым или различным будет направление индукционного тока в катушке при приближении к ней и удалении от нее одного и того же полюса магнита. 8. Приближайте полюс магнит так катушке с такой скоростью, чтобы стрелка миллиамперметра отклонялась не более чем на половину предельного значения его шкалы. Повторите тот же опыт, но при большей скорости движения магнита, чем в первом случае. При большей или меньшей скорости движения магнита относительно катушки магнитный поток Ф, пронизывающий эту катушку, менялся быстрее? При быстром или медленном изменении магнитного потока сквозь катушку в ней возникал больший по модулю ток? На основание вашего ответа на последний вопрос сделайте и запишите вывод о том, как зависит модуль силы индукционного тока, возникающего в катушке, от скорости изменения магнитного потока Ф, про

150.000₽ призовой фонд 11 почетных документов Свидетельство публикации в СМИ

План занятия

Тема занятия: Лабораторная работа: «Изучение явления электромагнитной индукции»

Вид занятия — смешанный.

Тип занятия комбинированный.

Учебные цели занятия : изучить явление электромагнитной индукции

Задачи занятия :

Образовательная: изучить явление электромагнитной индукции

Развивающие. Развивать умение наблюдать, формировать представление о процессе научного познания.

Воспитательная. Развивать познавательный интерес к предмету, вырабатывать умение слушать и быть услышанным.

Планируемые образовательные результаты: способствовать усилению практической направленности в обучении физики, формировании умений применять полученные знания в различных ситуациях.

Личностные: с пособствовать эмоциональному восприятию физических объектов, умению слушать, ясно и точно излагать свои мысли, развивать инициативу и активность при решении физических задач, формировать умение работать в группах.

Метапредметные: р азвивать умение понимать и использовать средства наглядности (чертежи, модели, схемы). Развитие понимания сущности алгоритмических предписаний и умений действовать в соответствии с предлагаемым алгоритмом.

Предметные: о владеть физическим языком, умением распознавать соединения параллельные и последовательные, умение ориентироваться в электрической схеме, собирать схемы. Умение обобщать и делать выводы.

Ход занятия:

1. Организация начала урока (отметка отсутствующих, проверка готовности студентов к уроку, ответы на вопросы студентов по домашнему заданию) — 2-5 мин.

Преподаватель сообщает учащимся тему урока, формулирует цели урока и знакомит учащихся с планом урока. Учащиеся записывают тему урока в тетради. Преподаватель создает условия для мотивации учебной деятельности.

Освоение нового материала:

Теория. Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется.

Магнитное поле в каждой точке пространства характеризуется вектором магнитной индукции В. Пусть замкнутый проводник (контур) помещаем в однородное магнитное поле (см. рис.1.)

Рисунок.1.

Нормаль к плоскости проводника составляет угол с направлением вектора магнитной индукции .

Магнитным потоком Ф через поверхность площадью S называется величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь S и косинус угла между векторами и .

Ф=В S cos α (1)

Направление индуктивного тока, возникающего в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него определяется правилом Ленца: возникающий в замкнутом контуре индуктивный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.

Применять правило Ленца надо так:

1. Установить направление линий магнитной индукции В внешнего магнитного поля.

2. Выяснить, увеличивается ли поток магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (Ф 0), или уменьшается ( Ф 0).

3. Установить направление линий магнитной индукции В» магнитного поля

индуктивного тока I пользуясь правилом буравчика.

При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в последнем появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС, называемые ЭДС индукции.

Согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Приборы и оборудование: гальванометр, источник питания, катушки с сердечником, дугообразный магнит, ключ, соединительные провода, реостат.

Порядок выполнения работы:

1. Получение индукционного тока. Для этого нужно:

1.1. Используя рисунок 1.1., собрать схему, состоящую из 2х катушек, одна из которых подключается к источнику постоянного тока через реостат и ключ, а вторая располагаясь над первой, подключена к чувствительному гальванометру. (см. рис. 1.1.)

Рисунок 1.1.

1.2. Замкнуть и разомкнуть цепь.

1.3. Убедиться в том, что индукционный ток возникает в одной из катушек в момент замыкания электрической цепи катушки, неподвижной относительно первой, при этом наблюдая направление отклонения стрелки гальванометра.

1.4. Привести в движение катушку, соединенную с гальванометром, относительно катушки, подключенной к источнику постоянного тока.

1.5. Убедиться в том, что гальванометр обнаруживает возникновения электрического тока во второй катушке при всяком ее перемещении, при этом направление стрелки гальвонометра будет изменяться.

1.6. Выполнить опыт с катушкой соединенной с гальванометром (см. рис. 1.2.)

Рисунок 1.2.

1.7. Убедиться в том, что индукционный ток возникает при движении постоянного магнита относительно катушки.

1.8. Сделать вывод о причине возникновения индукционного тока в проделанных опытах.

2. Проверка выполнения правила Ленца.

2.1. Повторить опыт из пункта 1.6.(рис.1.2.)

2.2. Для каждого из 4х случаев данного опыта зарисовать схемы (4 схемы).

Рисунок 2.3.

2.3. Проверить выполнения правила Ленца в каждом случае и заполнить по этим данным таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

N опыта

Способ получения индукционного тока

Внесение в катушку северного полюса магнита

возрастает

Удаление из катушки северного полюса магнита

убывает

Внесение в катушку южного полюса магнита

возрастает

Удаление из катушки южного полюса магнита

убывает

3. Сделать вывод о проделанной лабораторной работе.

4. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Как должен двигаться замкнутый контур в однородном магнитном поле, поступательно или вращательно, чтобы в нём возник индуктивный ток?

2. Объясните, почему индуктивный ток в контуре имеет такое направление, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока его вызвавшего?

3. Почему в законе электромагнитной индукции стоит знак « — »?

4. Сквозь намагниченное кольцо вдоль его оси падает намагниченный стальной брусок, ось которого перпендикулярна плоскости кольца. Как будет изменяться ток в кольце?

Допуск к лабораторной работе 11

1.Как называется силовая характеристика магнитного поля? Её графический смысл.

2.Как определяется модуль вектора магнитной индукции?

3.Дайте определение единицы измерения индукции магнитного поля.

4.Как определяется направление вектора магнитной индукции?

5.Сформулируйте правило буравчика.

6.Запишите формулу расчета магнитного потока. Каков его графический смысл?

7.Дайте определение единицы измерения магнитного потока.

8.В чем заключается явления электромагнитной индукции?

9.Какова причина разделения зарядов в проводнике, движущемся в магнитном поле?

10.Какова причина разделения зарядов в неподвижном проводнике,находящемся в переменном магнитном поле?

11.Сформулируйте закон электромагнитной индукции. Запишите формулу.

12.Сформулируйте правило Ленца.

13.Объясните правило Ленца на основе закона сохранения энергии.

На этом уроке мы проведем лабораторную работу №4 «Изучение явления электромагнитной индукции». Целью этого занятия будет изучение явления электромагнитной индукции. С помощью необходимого оборудования мы проведем лабораторную работу, в конце которой узнаем, как правильно изучать и определять это явление.

Цель — изучение явления электромагнитной индукции .

Оборудование:

1. Миллиамперметр.

2. Магнит.

3. Катушка-моток.

4. Источник тока.

5. Реостат.

6. Ключ.

7. Катушка от электромагнита.

8. Соединительные провода.

Рис. 1. Экспериментальное оборудование

Начнем лабораторную работу со сбора установки. Чтобы собрать схему, которую мы будем использовать в лабораторной работе, присоединим моток-катушку к миллиамперметру и используем магнит, который будем приближать или удалять от катушки. Одновременно с этим мы должны вспомнить, что будет происходить, когда будет появляться индукционный ток.

Рис. 2. Эксперимент 1

Подумайте над тем, как объяснить наблюдаемое нами явление. Каким образом влияет магнитный поток на то, что мы видим, в частности происхождение электрического тока. Для этого посмотрите на вспомогательный рисунок.

Рис. 3. Линии магнитного поля постоянного полосового магнита

Обратите внимание, что линии магнитной индукции выходят из северного полюса, входят в южный полюс. При этом количество этих линий, их густота различна на разных участках магнита. Обратите внимание, что направление индукции магнитного поля тоже изменяется от точки к точке. Поэтому можно сказать, что изменение магнитного потока приводит к тому, что в замкнутом проводнике возникает электрический ток, но только при движении магнита, следовательно, изменяется магнитный поток, пронизывающий площадь, ограниченную витками этой катушки.

Следующий этап нашего исследования электромагнитной индукции связан с определением направления индукционного тока . О направлении индукционного тока мы можем судить по тому, в какую сторону отклоняется стрелка миллиамперметра. Воспользуемся дугообразным магнитом и увидим, что при приближении магнита стрелка отклонится в одну сторону. Если теперь магнит двигать в другую сторону, стрелка отклонится в другую сторону. В результате проведенного эксперимента мы можем сказать, что от направления движения магнита зависит и направление индукционного тока. Отметим и то, что от полюса магнита тоже зависит направление индукционного тока.

Обратите внимание, что величина индукционного тока зависит от скорости перемещения магнита, а вместе с тем и от скорости изменения магнитного потока.

Вторая часть нашей лабораторной работы связана будет с другим экспериментом. Посмотрим на схему этого эксперимента и обсудим, что мы будем теперь делать.

Рис. 4. Эксперимент 2

Во второй схеме в принципе ничего не изменилось относительно измерения индукционного тока. Тот же самый миллиамперметр, присоединенный к мотку катушки. Остается все, как было в первом случае. Но теперь изменение магнитного потока мы будем получать не за счет движения постоянного магнита, а за счет изменения силы тока во второй катушке.

В первой части будем исследовать наличие индукционного тока при замыкании и размыкании цепи. Итак, первая часть эксперимента: мы замыкаем ключ. Обратите внимание, ток нарастает в цепи, стрелка отклонилась в одну сторону, но обратите внимание, сейчас ключ замкнут, а электрического тока миллиамперметр не показывает. Дело в том, что нет изменения магнитного потока, мы уже об этом говорили. Если теперь ключ размыкать, то миллиамперметр покажет, что направление тока изменилось.

Во втором эксперименте мы проследим, как возникает индукционный ток , когда меняется электрический ток во второй цепи.

Следующая часть опыта будет заключаться в том, чтобы проследить, как будет изменяться индукционный ток, если менять величину тока в цепи за счет реостата. Вы знаете, что если мы изменяем электрическое сопротивление в цепи, то, следуя закону Ома, у нас будет меняться и электрический ток. Раз изменяется электрический ток, будет изменяться магнитное поле. В момент перемещения скользящего контакта реостата изменяется магнитное поле, что приводит к появлению индукционного тока.

В заключение лабораторной работы мы должны посмотреть на то, как создается индукционный электрический ток в генераторе электрического тока.

Рис. 5. Генератор электрического тока

Главная его часть — это магнит, а внутри этих магнитов располагается катушка с определенным количеством намотанных витков. Если теперь вращать колесо этого генератора в обмотке катушки будет наводиться индукционный электрический ток. Из эксперимента видно, что увеличение числа оборотов приводит к тому, что лампочка начинает гореть ярче.

Список дополнительной литературы:

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н. Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 347-348. Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 классы. Учебник для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.3. Синяков, В.А. Слободсков. — М.: Дрофа, 2005. — 476с. Пурышева Н.С. Физика. 9 класс. Учебник. / Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Чаругин В.М. 2-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2007.

ЭДС индукции. Примеры решения задач по физике. 10-11 класс

ЭДС индукции. Примеры решения задач по физике. 10-11 класс

Подробности
Просмотров: 1514

Задачи по физике — это просто!

Не забываем, что решать задачи надо всегда в системе СИ!


А теперь к задачам!

Элементарные задачи из курса школьной физики на вычисление ЭДС индукции.

Задача 1

За время 5 мс в соленоиде, содержащем 500 витков провода, магнитный поток равномерно убывает от 7 мВб до 3 мВб.
Найдите ЭДС индукции в соленоиде.


Задача 2

Какой магнитный поток пронизывает каждый виток катушки, имеющей 1000 витков, если при равномерном исчезновении магнитного поля в течение 0,1 с в катушке индуцируется ЭДС равная 10 В ?

Задача 3

Виток проводника   площадью 2 см2 расположен перпендикулярно вектору магнитной индукции.
Чему равна ЭДС индукции в витке, если за время 0,05 секунд магнитная индукция равномерно убывает с 0,5 Тл до 0,1 Тл?


Задача 4

В однородном магнитном поле перпендикулярно к направлению вектора индукции , модуль которого 0,1 Тл, движется провод длиной 2 метра со скоростью 5 м/с, перпендикулярной проводнику.
Какая ЭДС индуцируется в этом проводнике?



Задача 5

Перпендикулярно вектору магнитной индукции перемещается проводник длиной 1,8 метра со скоростью 6 м/c. ЭДС индукции равна 1,44 В.
Найти магнитную индукцию  магнитного поля.


Задача 6

Самолет имеет размах крыльев 15 метров. Горизонтальная скорость полета равна720 км/час.
Определить разность потенциалов, возникающих между концами крыльев. Вертикальная составляющая магнитной индукции (перпендикулярно поверхности Земли) равна 50 мкТл.

Задача 7

Магнитный поток через контур проводника сопротивлением 0,03 Ом за 2 секунды  изменился на 0,012 Вб.
Найдите  силу тока в проводнике если изменение потока происходило равномерно.

Задача 8

В однородном магнитном поле находится плоский виток площадью 10 см2, расположенный перпендикулярно вектору магнитной индукции.
Какой ток течет по витку, если поле будет убывать с постоянной скоростью 0,5 Тл/с?

Задача 9

Сопротивление замкнутого контура равно 0,5 Ом. При перемещении кольца в магнитном поле магнитный поток через кольцо изменился на 5×10-3 Вб.
Какой за это время прошел заряд через поперечное сечение проводника?



Магнетизм — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Сила Ампера

К оглавлению…

Заряженные тела способны создавать кроме электрического еще один вид поля. Если заряды движутся, то в пространстве вокруг них создается особый вид материи, называемый магнитным полем. Следовательно, электрический ток, представляющий собой упорядоченное движение зарядов, тоже создает магнитное поле. Как и электрическое поле, магнитное поле не ограничено в пространстве, распространяется очень быстро, но все же с конечной скоростью. Его можно обнаружить только по действию на движущиеся заряженные тела (и, как следствие, токи).

Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности E электрического поля. Такой характеристикой является вектор B магнитной индукции. В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принят 1 Тесла (Тл). Если в магнитное поле с индукцией B поместить проводник длиной l с током I, то на него будет действовать сила, называемая силой Ампера, которая вычисляется по формуле:

где: В – индукция магнитного поля, I – сила тока в проводнике, l – его длина. Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику. 

Для определения направления силы Ампера обычно используют правило «Левой руки»: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы Ампера, действующей на проводник (см. рисунок).

Если угол α между направлениями вектора магнитной индукции и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы Ампера надо взять составляющую магнитного поля, которая перпендикулярна направлению тока. Решать задачи этой темы нужно так же как и в динамике или статике, т.е. расписав силы по осям координат или складывая силы по правилам сложения векторов.

Момент сил, действующих на рамку с током

Пусть рамка с током находится в магнитном поле, причём плоскость рамки перпендикулярна полю. Силы Ампера будут сжимать рамку, а их равнодействующая будет равна нулю. Если поменять направление тока, то силы Ампера поменяют своё направление, и рамка будет не сжиматься, а растягиваться. Если линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, то возникает вращательный момент сил Ампера. Вращательный момент сил Ампера равен:

где: S — площадь рамки, α — угол между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции (нормаль — вектор, перпендикулярный плоскости рамки), N – количество витков, B – индукция магнитного поля, I – сила тока в рамке.

 

Сила Лоренца

К оглавлению…

Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда. Эти силы называют силами Лоренца. Сила Лоренца, действующая на частицу с зарядом q в магнитном поле B, двигающуюся со скоростью v, вычисляется по следующей формуле:

Угол α в этом выражении равен углу между скоростью и вектором магнитной индукции. Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же, как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки или по правилу буравчика (как и сила Ампера). Вектор магнитной индукции нужно мысленно воткнуть в ладонь левой руки, четыре сомкнутых пальца направить по скорости движения заряженной частицы, а отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца. Если частица имеет отрицательный заряд, то направление силы Лоренца, найденное по правилу левой руки, надо будет заменить на противоположное.

Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам скорости и индукции магнитного поля. При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость лежит в плоскости, перпендикулярной вектору индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по окружности, радиус которой можно вычислить по следующей формуле:

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы. Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен:

Последнее выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения (а значит и частота, и угловая скорость) не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) и радиуса траектории R.

 

Теория о магнитном поле

К оглавлению…

Магнитное взаимодействие токов

Если по двум параллельным проводам идёт ток в одном направлении, то они притягиваются; если в противоположных направлениях, то отталкиваются. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Ампером. Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот. Опыты показали, что модуль силы, действующей на отрезок длиной Δl каждого из проводников, прямо пропорционален силам тока I1 и I2 в проводниках, длине отрезка Δl и обратно пропорционален расстоянию R между ними:

где: μ0 – постоянная величина, которую называют магнитной постоянной. Введение магнитной постоянной в СИ упрощает запись ряда формул. Ее численное значение равно:

μ0 = 4π·10–7 H/A2 ≈ 1,26·10–6 H/A2.

Сравнивая приведенное только что выражение для силы взаимодействия двух проводников с током и выражение для силы Ампера нетрудно получить выражение для индукции магнитного поля создаваемого каждым из прямолинейных проводников с током на расстоянии R от него:

где: μ – магнитная проницаемость вещества (об этом чуть ниже). Если ток протекает по круговому витку, то в центре витка индукция магнитного поля определяется по формуле:

Силовыми линиями магнитного поля называют линии, по касательным к которым располагаются магнитные стрелки. Магнитной стрелкой называют длинный и тонкий магнит, его полюса точечны. Подвешенная на нити магнитная стрелка всегда поворачивается в одну сторону. При этом один её конец направлен в сторону севера, второй — на юг. Отсюда название полюсов: северный (N) и южный (S). Магниты всегда имеют два полюса: северный (обозначается синим цветом или буквой N) и южный (красным цветом или буквой S). Магниты взаимодействуют так же, как и заряды: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Невозможно получить магнит с одним полюсом. Даже если магнит разломать, то у каждой части будет по два разных полюса.

Вектор магнитной индукции

Вектор магнитной индукции — векторная физическая величина, являющаяся характеристикой магнитного поля, численно равная силе, действующей на элемент тока в 1 А и длиной 1 м, если направление силовой линии перпендикулярно проводнику. Обозначается В, единица измерения — 1 Тесла. 1 Тл — очень большая величина, поэтому в реальных магнитных полях магнитную индукцию измеряют в мТл.

Вектор магнитной индукции направлен по касательной к силовым линиям, т.е. совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки, помещённой в данное магнитное поле. Направление вектора магнитной индукции не совпадает с направлением силы, действующей на проводник, поэтому силовые линии магнитного поля, строго говоря, силовыми не являются.

Силовая линия магнитного поля постоянных магнитов направлена по отношению к самим магнитам так, как показано на рисунке:

В случае магнитного поля электрического тока для определения направления силовых линий используют правило «Правой руки»: если взять проводник в правую руку так, чтобы большой палец был направлен по току, то четыре пальца, обхватывающие проводник, показывают направление силовых линий вокруг проводника:

В случае прямого тока линии магнитной индукции — окружности, плоскости которых перпендикулярны току. Вектора магнитной индукции направлены по касательной к окружности.

Соленоид — намотанный на цилиндрическую поверхность проводник, по которому течёт электрический ток I. Магнитное поле соленоида подобно полю прямого постоянного магнита. Внутри соленоида длиной l и количеством витков N создается однородное магнитное поле с индукцией (его направление также определяется правилом правой руки):

Линии магнитного поля имеют вид замкнутых линий — это общее свойство всех магнитных линий. Такое поле называют вихревым. В случае постоянных магнитов линии не оканчиваются на поверхности, а проникают внутрь магнита и замыкаются внутри. Это различие электрического и магнитного полей объясняется тем, что, в отличие от электрических, магнитных зарядов не существует.

Магнитные свойства вещества

Все вещества обладают магнитными свойствами. Магнитные свойства вещества характеризуются относительной магнитной проницаемостью μ, для которой верно следующее:

Данная формула выражает соответствие вектора магнитной индукции поля в вакууме и в данной среде. В отличие от электрического, при магнитном взаимодействии в среде можно наблюдать и усиление, и ослабление взаимодействия по сравнению с вакуумом, у которого магнитная проницаемость μ = 1. У диамагнетиков магнитная проницаемость μ немного меньше единицы. Примеры: вода, азот, серебро, медь, золото. Эти вещества несколько ослабляют магнитное поле. Парамагнетики — кислород, платина, магний — несколько усиливают поле, имея μ немного больше единицы. У ферромагнетиков — железо, никель, кобальт — μ >> 1. Например, у железа μ ≈ 25000.

 

Магнитный поток. Электромагнитная индукция

К оглавлению…

Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М.Фарадеем в 1831 году. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур. Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину:

где: B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором магнитной индукции B и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура, S – площадь контура, N – количество витком в контуре. Единица магнитного потока в системе СИ называется Вебером (Вб).

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции εинд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум возможным причинам.

  1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
  2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре.

При решении задач важно сразу определить за счет чего меняется магнитный поток. Возможно три варианта:

  1. Меняется магнитное поле.
  2. Меняется площадь контура.
  3. Меняется ориентация рамки относительно поля.

При этом при решении задач обычно считают ЭДС по модулю. Обратим внимание также внимание на один частный случай, в котором происходит явление электромагнитной индукции. Итак, максимальное значение ЭДС индукции в контуре состоящем из N витков, площадью S, вращающемся с угловой скоростью ω в магнитном поле с индукцией В:

 

Движение проводника в магнитном поле

К оглавлению…

При движении проводника длиной l в магнитном поле B со скоростью v на его концах возникает разность потенциалов, вызванная действием силы Лоренца на свободные электроны в проводнике. Эту разность потенциалов (строго говоря, ЭДС) находят по формуле:

где: α — угол, который измеряется между направлением скорости и вектора магнитной индукции. В неподвижных частях контура ЭДС не возникает.

Если стержень длиной L вращается в магнитном поле В вокруг одного из своих концов с угловой скоростью ω, то на его концах возникнет разность потенциалов (ЭДС), которую можно рассчитать по формуле:

 

Индуктивность. Самоиндукция. Энергия магнитного поля

К оглавлению…

Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции, когда изменяющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создается током в самом контуре. Если ток в рассматриваемом контуре по каким-то причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре. Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I:

Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки. Единица индуктивности в СИ называется Генри (Гн).

Запомните: индуктивность контура не зависит ни от магнитного потока, ни от силы тока в нем, а определяется только формой и размерами контура, а также свойствами окружающей среды. Поэтому при изменении силы тока в контуре индуктивность остается неизменной. Индуктивность катушки можно рассчитать по формуле:

где: n — концентрация витков на единицу длины катушки:

ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, согласно формуле Фарадея равна:

Итак ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней.

Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии. Энергия Wм магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, может быть рассчитана по одной из формул (они следуют друг из друга с учётом формулы Φ = LI):

Соотнеся формулу для энергии магнитного поля катушки с её геометрическими размерами можно получить формулу для объемной плотности энергии магнитного поля (или энергии единицы объёма):

 

Правило Ленца

К оглавлению…

Инерция – явление, происходящее и в механике (при разгоне автомобиля мы отклоняемся назад, противодействуя увеличению скорости, а при торможении отклоняемся вперёд, противодействуя уменьшению скорости), и в молекулярной физике (при нагревании жидкости увеличивается скорость испарения, самые быстрые молекулы покидают жидкость, уменьшая скорость нагревания) и так далее. В электромагнетизме инерция проявляется в противодействии изменению магнитного потока, пронизывающего контур. Если магнитный поток нарастает, то возникающий в контуре индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать нарастанию магнитного потока, а если магнитный поток убывает, то возникающий в контуре индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать убыванию магнитного потока.

Правило Ленца для определения направления индукционного тока: возникающий в контуре индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, которое вызывало этот ток.

Магнитный поток, замкнутый контур, изменение, энергия, магнитное поле. ЭДС индукции в движущемся проводнике, в контуре. Тест, курсы по физике

Всего вопросов: 12

Вопрос 1. Единицей измерения магнитного потока в СИ является…

Вопрос 2. Магнитный поток, пронизывающий катушку, изменяется со временем так, как показано на рисунке. В каком промежутке времени модуль ЭДС индукции имеет максимальное значение?

Вопрос 3. Магнитное поле пронизывает рамку так, как показано на рисунке. Не меняя площади рамки, изменяют магнитное поле. На рисунке изображены графики зависимости индукции магнитного поля, пронизывающего контур, от времени. В каком случае в рамке генерируется (наводится) минимальная ЭДС индукции?

Вопрос 4. Магнит перемещают относительно замкнутого проводящего контура, как показано на рисунке. Как будет направлен индукционный ток, возникающий в контуре?

Вопрос 5. В каком направлении относительно замкнутого проводника необходимо двигать магнит, чтобы в проводнике возник электрический ток указанного направления?

Вопрос 6. Магнит вводится в алюминиевое кольцо так, как показано на рисунке. Направление тока в кольце указано стрелкой. Каким полюсом магнит вводится в кольцо?

Вопрос 7. Магнит выводят из кольца так, как показано на рисунке. Какой полюс магнита ближе к кольцу?

Вопрос 8. Как будет направлен ток в контуре 2 при размыкании цепи в контуре 1?

Вопрос 9. Контур В удаляется от контура А. Как будет направлен индукционный ток, возникающий в контуре В?

Вопрос 10. Как будет направлен индукционный ток в контуре В, если контур В удалять от контура А?

Вопрос 11. В вертикальном однородном магнитном поле по П — образному металлическому проводнику, расположенному в горизонтальной плоскости, равномерно со скоростью, модуль которой v, движется перемычка (рис. а). Какой из графиков (1-5) описывает зависимость силы тока от времени (рис. б)?

Вопрос 12. На график (рис. а) показана зависимость магнитного потока, пронизывающего контур, от времени. ЭДС индукции, возникающая в этом контуре, представлена на графике (1-5) (рис. б):

Индуцированная ЭДС и магнитный поток — College Physics

Цели обучения

  • Рассчитайте поток однородного магнитного поля через петлю произвольной ориентации.
  • Опишите методы создания электродвижущей силы (ЭДС) с помощью магнитного поля или магнита и проволочной петли.

Аппарат, использованный Фарадеем для демонстрации того, что магнитные поля могут создавать токи, показан на (Рисунок). Когда переключатель замкнут, в катушке в верхней части железного кольца создается магнитное поле, которое передается катушке в нижней части кольца.Гальванометр используется для обнаружения любого тока, наведенного в катушке внизу. Было обнаружено, что каждый раз, когда переключатель замыкается, гальванометр обнаруживает ток в одном направлении в катушке внизу. (Вы также можете наблюдать это в физической лаборатории.) Каждый раз, когда переключатель открывается, гальванометр обнаруживает ток в противоположном направлении. Интересно, что если переключатель остается замкнутым или разомкнутым в течение некоторого времени, через гальванометр нет тока. Замыкание и размыкание переключателя индуцирует ток.Это изменение в магнитном поле, которое создает ток. Более основным, чем текущий ток, является ЭДС , которая его вызывает. Ток является результатом ЭДС , индуцированной изменяющимся магнитным полем , независимо от того, есть ли путь для протекания тока.

Аппарат Фарадея для демонстрации того, что магнитное поле может производить ток. Изменение поля, создаваемого верхней катушкой, вызывает ЭДС и, следовательно, ток в нижней катушке. Когда переключатель разомкнут и замкнут, гальванометр регистрирует токи в противоположных направлениях.Когда переключатель остается замкнутым или разомкнутым, через гальванометр не течет ток.

Эксперимент, который легко проводится и часто проводится в физических лабораториях, показан на (Рисунок). ЭДС индуцируется в катушке, когда стержневой магнит вставляется и выходит из нее. ЭДС противоположных знаков создаются движением в противоположных направлениях, и ЭДС также меняются на противоположные за счет изменения полюсов. Те же результаты будут получены, если перемещать катушку, а не магнит — важно относительное движение.Чем быстрее движение, тем больше ЭДС, и когда магнит неподвижен относительно катушки, ЭДС отсутствует.

Движение магнита относительно катушки создает ЭДС, как показано. Такие же ЭДС возникают при перемещении катушки относительно магнита. Чем больше скорость, тем больше величина ЭДС, а при отсутствии движения ЭДС равна нулю.

Метод создания ЭДС, используемый в большинстве электрических генераторов, показан на (Рисунок). Катушка вращается в магнитном поле, создавая ЭДС переменного тока, которая зависит от скорости вращения и других факторов, которые будут исследованы в следующих разделах.Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель (другая симметрия).

При вращении катушки в магнитном поле возникает ЭДС. Это основная конструкция генератора, в котором работа по вращению катушки преобразуется в электрическую энергию. Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель.

Итак, мы видим, что изменение величины или направления магнитного поля вызывает ЭДС. Эксперименты показали, что существует критическая величина, называемая магнитным потоком, равная

.

, где , — напряженность магнитного поля над областью , , под углом к ​​перпендикуляру к области, как показано на (Рисунок). Любое изменение магнитного потока вызывает ЭДС. Этот процесс определяется как электромагнитная индукция. Единицы магнитного потока ар. Как видно на (Рисунок), , что составляет компонент , перпендикулярный области . Таким образом, магнитный поток является произведением площади и составляющей магнитного поля, перпендикулярной ей.

Магнитный поток связан с магнитным полем и площадью, на которой он существует. Поток связан с индукцией; любое изменение вызывает ЭДС.

Вся индукция, включая приведенные до сих пор примеры, возникает из-за некоторого изменения магнитного потока . Например, Фарадей изменил и, следовательно, при размыкании и замыкании переключателя в своем устройстве (показано на (Рисунок)). Это также верно для стержневого магнита и катушки, показанных на (Рисунок). При вращении катушки генератора угол, а значит, и угол , изменяется. Насколько велика ЭДС и какое направление она принимает, зависит от изменения в , и от того, как быстро это изменение будет выполнено, как будет рассмотрено в следующем разделе.

Концептуальные вопросы

Каким образом многопетлевые катушки и железное кольцо в версии аппарата Фарадея, показанной на (Рисунок), улучшают наблюдение наведенной ЭДС?

Когда магнит вставляется в катушку, как показано на (Рисунок) (a), в каком направлении сила, действующая со стороны катушки на магнит? Нарисуйте диаграмму, показывающую направление тока, индуцируемого в катушке, и создаваемое ею магнитное поле, чтобы обосновать вашу реакцию. Как величина силы зависит от сопротивления гальванометра?

Объясните, как магнитный поток может быть равен нулю, когда магнитное поле не равно нулю.

Наведена ли ЭДС в катушке (рисунок), когда она растягивается? Если да, укажите причину и укажите направление индуцированного тока.

Круглая катушка с проволокой натянута в магнитном поле.

Задачи и упражнения

Какое значение магнитного потока в катушке 2 (рисунок) из-за катушки 1?

(a) Плоскости двух катушек перпендикулярны. (б) Проволока перпендикулярна плоскости катушки.

Какое значение магнитного потока, проходящего через катушку на (Рисунок) (b), обусловлено проводом?

Глоссарий

магнитный поток
— величина магнитного поля, проходящего через конкретную область, вычисленная по формуле: где , — напряженность магнитного поля в области. , — под углом к ​​перпендикуляру к области
.
Электромагнитная индукция
Процесс наведения ЭДС (напряжения) при изменении магнитного потока

Магнитный поток | IOPSpark

Магнитный поток

Электричество и магнетизм

Магнитный поток

Глоссарий Определение для 16-19

Описание

Для однородного магнитного поля, B , с направлением, перпендикулярным плоскости площадью A , магнитный поток φ по площади

φ & равно; B A

В более общем случае, как показано на рисунке 1 , магнитный поток определяется как φ & равно; B A cosθ

Рис. 1. Плоская петля области A находится в области, где магнитное поле составляет B (показано красными линиями поля на (a)).Компонент B , направленный перпендикулярно области, показан вертикальной пунктирной линией на (b).

где θ — угол между направлением поля и линией, перпендикулярной плоскости области. B cosθ — это составляющая B , проходящая под прямым углом через область.

Когда поле неоднородно, поток рассчитывается с использованием значения B (или B cosθ), усредненного по площади.

Обсуждение

Магнитный поток — важная величина, которая позволяет нам вычислить ЭДС, генерируемую в катушке с проволокой, когда поток через катушку изменяется, как это происходит в динамо-машине или некоторых типах микрофонов.Механизм первого типа обычно включает вращение магнита вокруг неподвижной катушки с проволокой; движущийся магнит создает изменяющийся во времени магнитный поток через катушку и, следовательно, генерирует ЭДС. Размер создаваемой таким образом ЭДС пропорционален скорости изменения потока (закон Фарадея), а ее направление таково, чтобы противостоять вызвавшему его изменению потока (закон Ленца).

Единица СИ

weber, Wb (1 Wb & равно; 1 Tm 2 )

Выражается в основных единицах СИ

кг м 2 с -2 A -1

Математические выражения
  • Для однородного магнитного поля величиной B , направленного перпендикулярно области A , магнитный поток через площадь равен

    φ & равняется; В А

  • В более общем случае, как показано на фиг.1 , магнитный поток определяется как

    φ & равно; B A cosθ

  • Когда есть изменяющийся во времени магнитный поток через катушку из проволоки с Н витков, ЭДС ε генерируется комбинацией закона Фарадея и закона Ленца как

    ε = — d ( N θ) d т

Связанные записи
В контексте

Основная катушка типичного сканера МРТ имеет внутреннюю площадь поперечного сечения около π × 30 см 2 & equals; 0.28 м 2 и магнитное поле величиной 1,5 Тл. Следовательно, магнитный поток через эту катушку составляет около 0,42 Вт.

Номер ссылки
  • www.healthcare.siemens.co.uk/magnet-resonance-imaging/0-35-to-1-5t-mri-scanner/magnetom-avanto/technical-details

23.1 Индуцированная ЭДС и магнитный поток — Физика колледжа: OpenStax

Глава 23 Электромагнитная индукция, цепи переменного тока и электрические технологии

Сводка

  • Рассчитайте поток однородного магнитного поля через петлю произвольной ориентации.
  • Опишите методы создания электродвижущей силы (ЭДС) с помощью магнитного поля или магнита и проволочной петли.

Аппарат, использованный Фарадеем для демонстрации того, что магнитные поля могут создавать токи, показан на рисунке 1. Когда переключатель замкнут, магнитное поле создается в катушке на верхней части железного кольца и передается на катушку внизу. часть кольца. Гальванометр используется для обнаружения любого тока, наведенного в катушке внизу.Было обнаружено, что каждый раз, когда переключатель замыкается, гальванометр обнаруживает ток в одном направлении в катушке внизу. (Вы также можете наблюдать это в физической лаборатории.) Каждый раз, когда переключатель открывается, гальванометр обнаруживает ток в противоположном направлении. Интересно, что если переключатель остается замкнутым или разомкнутым в течение некоторого времени, через гальванометр нет тока. Замыкание и размыкание переключателя индуцирует ток. Это изменение в магнитном поле, которое создает ток.Более основным, чем текущий ток, является вызывающая его ЭДС . Ток является результатом ЭДС , индуцированной изменяющимся магнитным полем , независимо от того, есть ли путь для протекания тока.

Рис. 1. Аппарат Фарадея для демонстрации того, что магнитное поле может производить ток. Изменение поля, создаваемого верхней катушкой, вызывает ЭДС и, следовательно, ток в нижней катушке. Когда переключатель разомкнут и замкнут, гальванометр регистрирует токи в противоположных направлениях.Когда переключатель остается замкнутым или разомкнутым, через гальванометр не течет ток.

Эксперимент, который легко выполняется и часто проводится в физических лабораториях, показан на рисунке 2. ЭДС индуцируется в катушке, когда стержневой магнит толкается внутрь и наружу. ЭДС противоположных знаков создаются движением в противоположных направлениях, и ЭДС также меняются на противоположные за счет изменения полюсов. Те же результаты будут получены, если перемещать катушку, а не магнит — важно относительное движение. Чем быстрее движение, тем больше ЭДС, и когда магнит неподвижен относительно катушки, ЭДС отсутствует.

Рис. 2. Движение магнита относительно катушки создает ЭДС, как показано. Такие же ЭДС возникают при перемещении катушки относительно магнита. Чем больше скорость, тем больше величина ЭДС, а при отсутствии движения ЭДС равна нулю.

Метод создания ЭДС, используемый в большинстве электрических генераторов, показан на рисунке 3. Катушка вращается в магнитном поле, создавая ЭДС переменного тока, которая зависит от скорости вращения и других факторов, которые будут исследованы в следующих разделах.Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель (другая симметрия).

Рис. 3. При вращении катушки в магнитном поле возникает ЭДС. Это основная конструкция генератора, в котором работа по вращению катушки преобразуется в электрическую энергию. Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель.

Итак, мы видим, что изменение величины или направления магнитного поля вызывает ЭДС. Эксперименты показали, что существует критически важная величина, называемая магнитным потоком, [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex], который определяется по номеру

.

[латекс] \ boldsymbol {\ phi = BA \; \ textbf {cos} \; \ theta}, [/ латекс]

где [латекс] \ boldsymbol {B} [/ latex] — это напряженность магнитного поля над областью [латекс] \ boldsymbol {A} [/ latex] под углом [латекс] \ boldsymbol {\ theta} [/ latex ] с перпендикуляром к области, как показано на рисунке 4.2} [/ латекс]. Как видно на рисунке 4, [latex] \ boldsymbol {B \; \ textbf {cos} \; \ theta = B _ {\ perp}} [/ latex], который является компонентом [latex] \ boldsymbol {B} [ / latex] перпендикулярно области [латекс] \ boldsymbol {A} [/ latex]. Таким образом, магнитный поток — это [латекс] \ boldsymbol {\ phi = B _ {\ perp} A} [/ latex], произведение площади и компонента магнитного поля, перпендикулярного ей.

Рис. 4. Магнитный поток Φ связан с магнитным полем и площадью, на которой оно существует.Поток Φ = BA cos θ связан с индукцией; любое изменение Φ вызывает ЭДС.

Вся индукция, включая приведенные до сих пор примеры, возникает из-за некоторого изменения магнитного потока [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ латекс]. Например, Фарадей изменил [латекс] \ boldsymbol {B} [/ latex] и, следовательно, [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex] при открытии и закрытии переключателя в своем устройстве (показано на рисунке 1). Это также верно для стержневого магнита и катушки, показанных на рисунке 2.При вращении катушки генератора угол [латекс] \ boldsymbol {\ theta} [/ latex] и, следовательно, [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex] изменяется. Насколько велика ЭДС и какое направление она принимает, зависит от изменения [latex] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex] и от того, как быстро это изменение будет выполнено, как будет рассмотрено в следующем разделе.

  • Ключевой величиной в индукции является магнитный поток [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex], определяемый как [латекс] \ boldsymbol {\ phi = BA \; \ textbf {cos} \; \ theta} [ / latex], где [latex] \ boldsymbol {B} [/ latex] — это напряженность магнитного поля над областью [latex] \ boldsymbol {A} [/ latex] под углом [латекс] \ boldsymbol {\ theta} [ / латекс] с перпендикуляром к площади.2} [/ латекс].
  • Любое изменение магнитного потока [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex] вызывает ЭДС — процесс определяется как электромагнитная индукция.

Концептуальные вопросы

1: Каким образом многоконтурные катушки и железное кольцо в версии аппарата Фарадея, показанной на рисунке 1, усиливают наблюдение наведенной ЭДС?

2: Когда магнит вставляется в катушку, как показано на рисунке 2 (а), в каком направлении катушка воздействует на магнит? Нарисуйте диаграмму, показывающую направление тока, индуцируемого в катушке, и создаваемое ею магнитное поле, чтобы обосновать вашу реакцию.Как величина силы зависит от сопротивления гальванометра?

3: Объясните, как магнитный поток может быть равен нулю, когда магнитное поле не равно нулю.

4: Индуцируется ли ЭДС в катушке на рис. 5, когда она растягивается? Если да, укажите причину и укажите направление индуцированного тока.

Рис. 5. Круглая катушка с проволокой натянута в магнитном поле.

Задачи и упражнения

1: Какое значение магнитного потока в катушке 2 на рисунке 6 из-за катушки 1?

Рисунок 6. (a) Плоскости двух катушек перпендикулярны. (б) Проволока перпендикулярна плоскости катушки.

2: Какое значение магнитного потока, проходящего через катушку на рис. 6 (b), обусловлено проводом?

Глоссарий

магнитный поток
количество магнитного поля, проходящего через определенную область, рассчитанное с помощью [latex] \ boldsymbol {\ phi = BA \; \ textbf {cos} \; \ theta} [/ latex] где [latex] \ boldsymbol {B} [/ latex] — это напряженность магнитного поля над областью [латекс] \ boldsymbol {A} [/ latex] под углом [латекс] \ boldsymbol {\ theta} [/ latex] с перпендикуляром к площади
Электромагнитная индукция
Процесс наведения ЭДС (напряжения) при изменении магнитного потока

Решения

Задачи и упражнения

1: Ноль

Исследование и компоненты утечки магнитного потока в ламинированном ферромагнитном образце

Метод утечки магнитного потока (MFL) чаще всего используется для обнаружения трещин в железных стержнях, ламинированных листах и ​​стальных трубах ферромагнитной природы.Система рассеяния магнитного потока индуцирует магнитное поле и обнаруживает линии магнитного потока, которые «просачиваются» или изменяются из-за неоднородности в намагниченной области. Индуктивный Катушечный датчик или датчик на эффекте Холла обнаруживают утечку. Магнитные методы неразрушающего контроля (NDT) зависят от обнаружения этого поля рассеяния магнитного потока. Ферромагнитный образец намагничивается подходящими методами, а дефекты, которые разрушают поверхность или просто подповерхностные слои, искажают магнитное поле, вызывая локальные поля рассеяния магнитного потока.Это очень важно для промышленного применения. для обнаружения трещин и изъянов в металлических частях стальных мостов, электростанций, военных инструментов и конструкций и т. д. В данном исследовании осмотр трещин в ламинированных листах под продольным намагниченность будет обсуждаться подробно.

1. Введение

Существуют различные методы неразрушающего контроля для промышленного использования. Большинство из них подходят для обнаружения поверхностных трещин на ламинированных образцах, трубопроводах и резервуарах для хранения жидкости.Основными факторами, влияющими на выбранный метод неразрушающего контроля, являются диаметр изделия, длина и толщина стенки, методы изготовления, тип и расположение потенциальных разрывов, требования спецификации и посторонние переменные, такие как царапина, которая может вызвать отклоняемую индикацию, даже хотя продукт приемлемый.

Наиболее широко используемыми методами неразрушающего контроля для контроля сварных швов трубных изделий являются ультразвуковой, вихретоковый, рассеивание магнитного потока, рентгенографический, жидкостный пенетрант и магнитные частицы.Первые четыре надежны для выявления внутренних дефектов, тогда как последние два наиболее надежны для обнаружения дефектов поверхности. Каждый из этих методов имеет определенные преимущества и ограничения [1].

Соответствующий компонент намагничивается до уровня, при котором наличие значительного локального уменьшения толщины материала вызывает достаточное искажение внутреннего магнитного поля, позволяющее линиям магнитного потока разорвать испытательную поверхность в месте разрыва. Применение метода рассеяния магнитного потока (MFL) и подходящие датчики используются для подачи электрического сигнала в месте утечки.Этот сигнал может включать звуковую или визуальную сигнализацию, чтобы предупредить инспектора, или может сохранять событие для компьютерного картирования области. Техника MFL требует двух основных вещей: метода намагничивания и метода обнаружения поля утечки.

Намагничивание может быть достигнуто с помощью электромагнитов или постоянных магнитов. В MFL можно использовать несколько типов датчиков. К этим типам относятся поисковые катушки, датчики эффекта Холла, магнитострикционные устройства и датчики гигантского магнитоимпеданса (GMI) [2].Постоянные магниты и датчики на эффекте Холла чаще всего используются в технологии MFL.

Датчики с поисковой катушкой выдают сигнал напряжения, пропорциональный плотности потока поля, проходящего через чувствительный элемент. На рисунках 1 и 2 показаны диаграммы поля для материала с изъязвлениями. Положение чувствительных элементов параллельно поверхности сканирования; из этого следует, что будет измеряться нормальная (вертикальная) составляющая вектора рассеяния магнитного потока. Если бы чувствительные элементы были расположены перпендикулярно поверхности, то измерялся бы тангенциальный (горизонтальный) вектор.



Поскольку метод рассеяния магнитного потока реагирует на коррозию и трещины как на обратной, так и на ближней стороне, необходимо ввести сильное магнитное поле в стенку компонента. Чем ближе это поле становится к насыщению компонента, тем более чувствительным и воспроизводимым становится метод [3–5].

В технике MFL для намагничивания образца до насыщения используются системы постоянного магнита или электромагнитов. Области уменьшенной толщины, такие как коррозионный дефект или поверхностные трещины, вызывают утечку магнитного потока в воздух [6].Эта утечка потока обнаруживается с помощью поисковой катушки по количеству витков или датчика Холла и соотносится с размером и местоположением дефекта [7]. Толщина стенки, которую можно проверить, ограничена способностью магнитного потока проникать в стенку и способностью датчика обнаруживать дефекты на расстоянии от стены [8].

Однако технология неразрушающего контроля приобрела важное значение в современных промышленных процессах для сокращения времени простоя и повышения безопасности и производительности [9, 10].Большой успех был достигнут в трубопроводной промышленности с использованием техники рассеяния магнитного потока для обнаружения и определения размеров дефектов в нефте- и газопроводах и ламинированных листов на стальных мостах, на электростанциях и при проверках стальных проволочных покрытий [11, 12].

Очень важно понимать физику метода рассеяния магнитного потока (MFL) из-за реализации процесса обнаружения трещин. Понимание механизма утечки флюса в ламинированном листе, трубопроводах и других приложениях дает возможность более точного анализа во время экспериментального исследования.В этом исследовании исследуется проверка трещин в слоистых листах при продольной намагниченности.

2. Экспериментальная установка

Система измерения рассеяния магнитного потока состоит из двух основных процессов, таких как намагничивание и системы магнитных измерений. В данной работе образец намагничивался по длине образца в продольном направлении. Система намагничивания была построена с двумя последовательно соединенными катушками намагничивания. Сердечник из мягкого железа был помещен в катушки намагничивания, такие как концентратор потока.

Система запитана синусоидальным сигналом 5 В и частотой 500 Гц. Сигнал был получен от генератора сигналов произвольной формы HP 33120 A, затем усилен усилителем мощности SONY ES505. Изолирующий трансформатор использовался для фильтрации сигнала постоянного тока, который возникает во время усиления усилителя мощности, как показано на рисунке 3.


Важно понимать механизм возбуждения процесса намагничивания. Бодрящий прогресс состоит из двух основных этапов. Первая ступень создает напряженность магнитного поля, когда ток намагничивания подается на катушки намагничивания.Эти катушки имеют около 250 витков обмотки с толщиной проволоки 1,2 мм. Вторая ступень возбуждает образец в продольном направлении.

Когда ток намагничивания был приложен к катушкам намагничивания с частотой 500 Гц и 1 А, в последовательно соединенных катушках намагничивания возникает напряженность магнитного поля. Это вызывает распределение магнитного потока в сердечнике из мягкого железа (SiFe). Когда система находится под напряжением, возникший магнитный поток проходит в образец. Естественный путь магнитных силовых линий проходит по длине продольного направления образца.Если в слоистом ферромагнитном материале нет разрывов, создаваемый магнитный поток течет в образец из-за его высокой магнитной проницаемости.

Если в ламинированном образце есть трещины, отверстия и несплошности, происходит утечка магнитного потока [3]. Эта утечка магнитного потока перпендикулярна поверхности образца. Для обнаружения поверхностной утечки магнитного потока использовалась поисковая катушка с воздушным сердечником на 250 витков. Поисковая катушка перемещалась по образцу в продольном направлении с помощью системы управляемого шагового двигателя, как показано на рисунке 4.


Поисковая катушка с воздушным сердечником на 250 витков использовалась для захвата сигнала поверхностной утечки магнитного потока, который возникает вокруг трещин и неоднородностей в образце. Захваченный сигнал был синусоидальным по своей природе, поэтому на поисковой катушке был наведен сигнал () (см. (1)) где — плотность магнитного потока в (Тесла), — это среднее значение наведенного сигнала на многооборотной поисковой катушке, — это номер поисковой катушки, — Гц — частота намагничивания, — это площадь поперечного сечения образца.500 Гц оказалась наиболее подходящей рабочей частотой для этого исследования, и она оставалась постоянной для всех измерений.

Напряженность магнитного поля была измерена среднеквадратичным вольтметром HP 34401 A во время экспериментального исследования с целью контроля. Для контроля экспериментальных условий во время исследования измеряли напряженность магнитного поля. Напряженность магнитного поля рассчитывалась по следующей формуле: где — напряженность магнитного поля в, — значение индуцированного сигнала, — число витков намагничивания, — общая длина сердечника намагничивания, — удельное сопротивление силового резистора, который последовательно подключен между катушкой намагничивания и состоянием земли. .

Сигнал датчика был обработан с помощью электронного интерфейса. Он был усилен и отфильтрован, а затем прошел через переключатель цифровой обработки сигнала HP 34970 A для захвата сигнала датчика каждую секунду. Данные были собраны автоматически с использованием компьютеризированной системы обвинения.

Поведение и составляющие рассеяния магнитного потока очень важны во время поиска несплошностей в ламинированном образце. Общая магнитная индукция исходит от катушек намагничивания, которые последовательно соединены друг с другом, как показано на рисунке 4.Утечка поверхностного потока перескакивает от ветвей сердечника к слоистому образцу и следует по пути вдоль длины образца в продольном направлении. На этом этапе и компоненты возникают из-за несплошности в ламинированном образце. Причиной несплошностей могут быть поверхностные и подповерхностные трещины, коррозионные ямки, местные напряжения и т. Д.

и составляющие рассеяния магнитного потока были захвачены одно- и многооборотными поисковыми катушками во время измерений. Данные были собраны мгновенно с помощью переключателя сбора данных HP 34970 A.Собранные данные были записаны компьютером, чтобы использовать их для обработки сигналов.

В ходе исследования было проведено три основных эксперимента. На первом этапе на намагничивающий сердечник U-типа подавали напряжение без образца, чтобы выяснить, как происходит рассеяние магнитного потока. Это была возможность наблюдать за распределением потока примерно на опорах активной зоны и между опорами в пространстве.

На втором этапе образец располагался на ножках П-образного сердечника без трещин и разрывов.Образец касался поверхности поперечного сечения стержней сердечника на обоих концах ламинированного образца. Магнитный поток передавался от ветвей сердечника к образцу только на поверхности поперечного сечения ветвей. Магнитный поток движется от одного конца к другому, если нет трещин.

На третьем этапе особенно потрескавшийся образец был расположен на ветвях сердечника с двумя трещинами для захвата областей с трещинами в зависимости от расстояния и поверхностной утечки магнитного потока.

Наконец, три этапа исследования сравниваются, чтобы найти участки с трещинами с высокой чувствительностью, повторяемостью и меньшими ошибками.

3. Результаты и обсуждение
3.1. Измерение утечки магнитного потока (MFL) между ножками сердечника без образца

Намагничивающий сердечник U-типа использовался для создания плотности магнитного потока для обнаружения неоднородностей и трещин в ламинированном образце, как показано на рисунке 4. На первом этапе При исследовании сердечник возбуждается от последовательно соединенных двух катушек намагничивания без испытуемого образца.

П-образный сердечник действовал как концентратор потока. Поток, который создается катушками намагничивания, собирается и передается воздуху намагничивающим сердечником U-типа из мягкого железа.Создаваемая плотность магнитного потока состоит из трех компонентов:, и. Плотность магнитного потока дана как в (4)

В этом исследовании компоненты плотности потока наиболее важны для объяснения положения области трещины. По этой причине при исследовании не учитывалась составляющая плотности магнитного потока. Создаваемая плотность магнитного потока передается в воздух только с поверхности поперечного сечения ветвей сердечника. является основным компонентом плотности потока на ветвях сердечника, как показано на рисунке 5.Это ожидаемый результат из-за расположения опор сердечника. Продольная ось ножек расположена по направлению.


Датчик поисковой катушки измерял около 3,5 В только на стержне сердечника в качестве компонента. составляющая сигнала MFL также измерялась около нуля вольт только на площади поперечного сечения ветвей сердечника, как показано на рисунке 6. Было показано, что составляющая магнитного потока имеет противоположную природу с составляющей сигнала MFL.


Полная плотность потока была постоянной для определенной частоты и токов намагничивания согласно (4).Из-за этого, когда компонент увеличения плотности потока, составляющая плотности потока уменьшается из-за постоянной плотности потока магнитной системы. Когда сканирование поисковой катушкой проводилось от левого угла U-образного сердечника к правому углу, было обнаружено, что компонент становится стабильным при напряжении около 1,2 В на расстоянии от 5 до 20 см на U-образном сердечнике.

Составляющая плотности потока преобразуется в составляющую из-за перескока магнитных линий от ветвей сердечника в воздух. Хотя эта компонента силовых линий, по-видимому, увеличивается от основного состояния до примерно 1.Отклик датчика 6 В из-за уменьшения процентного содержания составляющих силовых линий. Обе компоненты плотности потока ведут себя симметрично только в середине U-образного сердечника.

Составляющая силовых линий увеличилась до максимального значения 3,5 В. Она уменьшилась до минимального значения 1,2 В срабатывания датчика на расстоянии примерно 3 см от левого угла U-образного сердечника. Изменение отклика датчика было равномерным вплоть до правой части U-образного сердечника, как показано на рисунке 5. Если сканирование производилось датчиком поисковой катушки, оно было стабильным на расстоянии до 18 см от левого угла.После этого момента чувствительность датчика внезапно увеличилась с 1 В до 3,5 В. Ожидаемый отклик датчика был достигнут по длине U-образного сердечника. Компонент плотности потока выше сразу над ветвями сердечника, а компонент плотности потока становится ниже около основного состояния только на ветвях сердечника. Когда датчик выходит из стержней сердечника, компонент внезапно увеличивается до максимального значения, а компонент плотности потока уменьшается на нижнем уровне во время процесса сканирования, как показано на рисунке 6.

3.2. Измерение утечки магнитного потока (MFL) на ламинированном образце SiFe по всей длине без трещин

На втором этапе исследования образец мягкого ферромагнетика SiFe, ламинированный по всей длине, помещали на ветви U-образного сердечника без каких-либо трещин и разрывов. Цель этого — выяснить, как поток течет внутри ламинированного образца по всей длине без каких-либо трещин и разрывов от одной ветви к другой. Изменение и компоненты плотности потока могут быть достигнуты, когда датчик сканирует в двух измерениях по длине образца между ветвями сердечника в зависимости от смещения.

Все силовые линии в -направлении на ветвях сердечника из-за этой составляющей плотности магнитного потока выше, чем составляющая магнитного потока на ветвях сердечника. Намагниченный сердечник передал (MFL) силовые линии магнитного потока от ветвей сердечника к ламинированному образцу. Когда силовые линии встречаются с ламинированным образцом, они внезапно подпрыгивают, и составляющая линий магнитного потока экспоненциально уменьшается до минимального значения, как показано на рисунке 7. Компонент магнитных силовых линий также постепенно увеличивается до максимального значения в линейной области, как показано на рисунке. 8 на расстоянии около 4 см от начала координат.Причина этого в том, что составляющая силовых линий магнитного потока вращается на образце из-за его высокой магнитной проницаемости.



Большинство компонентов линий магнитного потока используются для намагничивания образца в направлении -направлении. К сожалению, образец не насыщен, и из-за этого в образце возникает очень много доменных границ. Такое поведение вызывает появление составляющей магнитных силовых линий по длине ламинированного образца. Из-за этого амплитуда составляющей магнитных силовых линий была измерена как 1.8 В даже если. Компонент магнитных силовых линий отвечает за намагничивание ламинированного образца. Из-за этого часть составляющих линий магнитного потока исчезает, намагничивая образец. Согласно теории магнитных доменов, все спины становятся параллельными -направлению, когда силовые линии магнитного потока проходят по длине образца [13].

Нелегко удерживать все спины параллельно длине образца. Система должна тратить немного энергии, чтобы поддерживать их параллельность.Сохранение параллельности спинов друг другу приводит к потере мощности в образце. Из-за этого часть магнитной энергии преобразуется в тепло, чтобы компенсировать потерю мощности.

Компонент МПС становится выше на ветвях сердечника из-за увеличения плотности потока только на ветвях сердечника. Линии магнитного потока изгибаются над образцом, и составляющая магнитных линий уменьшается. С другой стороны, составляющая магнитных силовых линий становится выше примерно на ветвях сердечника. Затем они падают до нуля в середине полной длины образца.Причина этого — намагниченность образца. Из-за намагничивания образца в ламинированном образце происходит потеря мощности.

3.3. Измерение утечки магнитного потока (MFL) на ламинированном образце SiFe с двумя трещинами

Многослойный образец SiFe был расположен на ножках U-образного сердечника с двумя трещинами. Две трещины были специально подготовлены на ламинированном образце для исследования изменения рассеяния магнитного потока почти на участках с трещинами. и составляющие поверхностного рассеяния магнитного потока измерялись поисковой катушкой.Датчик сканировал от левого угла до правого угла U-образного сердечника с помощью системы шагового двигателя. Полученные компоненты и компоненты были аналогичны описанным выше.

Компонент выше примерно на плечах сердечника, затем опускается ниже между опорами сердечника у первой трещины, как показано на рисунке 9. Когда датчик приближается к первой трещине, реакция датчика увеличивается почти так же, как значение примерно на плече сердечника. Если датчик проходит через трещину, срабатывание датчика постепенно снижается до минимального значения.Компонент намагниченного образца был захвачен однооборотными поисковыми катушками, как показано на рисунке 10. Поисковые катушки были расположены на расстоянии 5 мм друг от друга на ламинированном образце. Магнитный поток течет в поисковые катушки, когда образец намагничивается синусоидальным током с частотой от 500 Гц до 1 А. Согласно закону Био-Савара и закону Фарадея, ток индуцируется в однооборотных поисковых катушках как.



Концентрация потока возникла в ветвях С-образного сердечника во время возбуждения катушек намагничивания.Генерируемый флюс перескакивал на ламинированный образец от ножек С-образного сердечника. а составляющие намагниченности измерялись в ходе экспериментального исследования индивидуально. Было получено изменение рассеяния поверхностного магнитного потока вокруг области трещины. Амплитуда составляющей поверхностного рассеяния потока была увеличена до 2,0 В сразу после ветвей активной зоны. Измеряемый сигнал постепенно уменьшается примерно до нуля Гаусс на области трещины. Когда датчик двигался слева направо, составляющая немного увеличивалась до 0.Затем 25 В снизилось до нуля. Амплитуда сигнала снова достигла 0,25 В, затем снизилась до нуля на участке трещины. Это изменение свидетельствовало о наличии трещины в ламинированном образце.

Изменение сигнала датчика наиболее важно по направлению. Следовательно, измерение компонента является наиболее подходящим, чем измерение компонента поверхностного потока во время эксперимента по обнаружению трещин. Компонент может сильно отличаться. Этот вариант обеспечивает большую точность и информацию о форме, глубине и ширине трещин.Это дает возможность определить трещины или изъяны в материале.

Чувствительность и повторяемость — самые важные аспекты неразрушающего контроля. Оценка ширины, глубины и формы трещины также важна для повышения точности. Если датчик перемещается слева направо, происходит изменение сигнала.

Когда датчик располагается чуть выше площади поперечного сечения стержней сердечника, поисковая катушка наводит больше сигналов из-за высокой концентрации компонентов плотности магнитного потока.Амплитуда наведенного сигнала снижается с 2,5 В до 1,75 В из-за изменения положения датчика на образце, как показано на рисунке 9. Большинство магнитных линий изгибаются над образцом и предпочитают проходить в ламинированном листе. Поэтому большинство компонентов силовых линий преобразовано в компоненты. Это преобразование вызывает уменьшение количества компонентов силовых линий. Индуцированный сигнал датчика также уменьшается в этой области по той же причине. Когда датчик приближается к трещине, линии утечки поверхностного потока внезапно предпочитают проходить по воздуху.

Следовательно, количество компонентов магнитных линий увеличивается до определенных уровней, что свидетельствует о неоднородностях. Затем сигнал датчика внезапно падает до минимального значения, когда датчик достигает другой стороны области трещины. Амплитуда составляющей поверхностного потока резко меняется из-за неоднородности кристаллической структуры. Когда возникает трещина, проницаемость соответствующей области заменяется воздухом. Линии магнитного потока уходят в космос от ламинированного образца.Это вызывает резкое изменение сигнала датчика. Такое поведение очень важно для обнаружения трещин и изъянов в ламинированных листах.

Огромное падение сигнала происходит именно на трещинах. Возникший разрыв влияет на распределение потока по длине намагниченности образца. Магнитные домены становятся параллельными друг другу при намагничивании ламинированного образца.

Теоретически единичный домен возникает, если образец приближается к насыщению на поверхности образца.Возникшая несплошность вызывает искажение области трещин на магнитной доменной структуре. Поверхностный магнитный поток предпочитает перескакивать на другую сторону области трещины. Из-за этого падение сигнала происходит именно на области трещины. Если датчик фиксирует изменение сигнала во время сканирования поверхности, это свидетельствует о наличии неоднородности.

Можно обнаружить поверхностные трещины, используя метод рассеяния поверхностного магнитного потока, как указано выше. Необходимо провести дополнительное исследование, чтобы определить ширину, глубину и форму трещин неизвестных трещин.Рисунок 11 относится к трещине правильной формы.


Нам нужно подготовить банк данных для сравнения сигналов с неизвестными трещинами. Также важно выполнить обработку захваченного сигнала, чтобы удалить шум с выхода датчика и получить четкий сигнал. Обработка сигнала улучшает качество сигнала и уменьшает ошибки измерения. Это важно для получения точных экспериментальных результатов. Когда все эти проблемы соберутся вместе, у нас будет инструмент для получения трещин на деталях машин, электростанциях, стальных мостах, железных дорогах и многих других промышленных объектах.

4. Выводы

В данной работе был исследован механизм поверхностного рассеяния магнитного потока с целью получения инструмента для неразрушающих методов. Процесс намагничивания был подробно проанализирован в три этапа. (I) На первом этапе намагничивающий сердечник U-типа подавался под напряжением без образца, чтобы выяснить характер рассеяния магнитного потока. Составляющая магнитного потока увеличивается на ветвях сердечника, но составляющая рассеяния магнитного потока достигает почти основного состояния на ветвях сердечника.Составляющая рассеяния магнитного потока достигает максимального значения за счет преобразования составляющей в. Таким образом, оба компонента приблизились к минимальному значению между стержнями сердечника. (ii) На втором этапе образец располагался на ветвях U-образного сердечника без каких-либо трещин и неоднородностей. Обнаруженный образец действовал как мост между ветвями сердечника и передавал магнитный поток от одного плеча сердечника к другому. Составляющая рассеяния магнитного потока выше, но составляющая рассеяния магнитного потока достигает минимума на ветвях сердечника.Компоненты практически преобразовались в значения на образце и из-за этого внезапно приблизились к минимальному значению. увеличивалось до максимального значения, затем приближалось к минимальному значению в середине образца между стержнями сердечника из-за потери мощности. (iii) На третьем этапе особенно потрескавшийся образец был расположен на ветвях сердечника с двумя трещинами для захвата областей с трещинами в зависимости от расстояния и поверхностной утечки магнитного потока. Внезапная смена компонента на трещинах дала возможность зафиксировать участки трещин на ламинированном ферромагнитном образце.Изменение компонента не полезно для обнаружения трещин из-за сложности захвата компонента. Однако захватить компонент очень просто. Сбор данных возможен только при сканировании поверхности поисковой катушкой, перпендикулярной поверхности образца. (iv) Магнитный поток был разделен на две части и компоненты в слоистом ферромагнитном образце. Компонент был параллелен длине образца, а также был перпендикулярен поверхности образца. Сделан вывод, что измерение было важно для обнаружения поверхностных трещин с помощью метода рассеяния магнитного потока.

Конструкция поисковых катушек на печатной плате для измерения плотности магнитного потока переменного тока: AIP Advances: Vol 8, No 4

A однослойная (согласно рис. 2. а)), двухслойная и 10-слойная (согласно рис. 2. б)) поисковая катушка была спроектирована и изготовлена ​​на печатной плате типа FR-4 длиной 10 см, шириной 1,5 см и толщиной 0,5 мм (10-слойная катушка имеет толщину 1,2 мм), см. Рис. 5. Размеры поисковых катушек: w = s = 100 мкм, N = 25, t = 18 мкм, d (1 слой) = 196 мкм, d ( 2 слоя) = 398 мкм и d (10 слоев) = 450 мкм.Толщина меди t = 18 мкм относится к однослойной и двухслойной поисковым катушкам, а к 10-слойной катушке только для первого слоя и для последнего слоя. В остальных 8 слоях это 65% от этого значения (11,7 мкм согласно таблице II). Диаметр просверленных отверстий 100 мкм, остаток 75%. Верхний и нижний провода от катушки до разъема проходят один над другим, чтобы избежать дополнительного витка контура. Расчетные и измеренные параметры изготовленных катушек для поиска печатных плат представлены в таблице III.Измеренные параметры поисковых катушек NORMA с ручным заводом приведены в таблице IV. для сравнения с параметрами изготовленных катушек печатной платы. Это видно из таблицы III. что имеется хорошее соответствие между измеренным значением сопротивления, расчетным значением сопротивления согласно (8) и смоделированным значением из CST Studio. Только измеренное значение сопротивления поисковой катушки однослойной печатной платы намного выше, чем расчетное значение и смоделированное значение. Вероятно, это связано с производственным процессом печатной платы из-за допусков на воспроизведение. 20 20. С. Стальф, «Печатные индукторы в потребительских радиочастотных приложениях», IEEE Trans. Расход. Электрон 47 , 426–435 (2001). https://doi.org/10.1109/30.964130 Влияние переходного отверстия на значение площади витков можно не учитывать, поскольку площадь одного переходного отверстия составляет всего 0,04 мм 2 . Толщина меди и ширина дорожки очень сильно влияют на значения сопротивления и индуктивности. Что касается индуктивности катушек для поиска печатных плат, существует очень хорошее соответствие между расчетными значениями в соответствии с (10) или в соответствии с (11) и (14) — (16), значениями CST Studio и значениями, измеренными Мост LCR.Относительная разница менее 8% была определена для катушки с однослойной печатной платой, разница менее 3,2% для катушки с двухслойной печатной платой и разница менее 6,2% для катушки с 10-слойной печатной платой. Значение постоянной поисковой катушки на печатной плате было откалибровано с использованием метода переменной взаимной индуктивности, 21 21. М. Ульвр, «Система калибровки поисковых катушек с площадью витков до 100 м 2 », Труды конференции по прецизионной электромагнитной Измерения 2012 г., Вашингтон, округ Колумбия, США, 1.-6. Июль 2012 г. (IEEE, 2012), стр. 320–321. с электромагнитом постоянного тока, используемым в качестве эталона плотности магнитного потока. Постоянные постоянного тока поисковой катушки были откалиброваны для B = 1 Тл с расширенной неопределенностью 0,08%. Отличия от рассчитанного значения постоянного тока согласно (3) и согласно (7), смоделированных значений из CST Studio и измеренных значений менее 0,7% (для однослойной поисковой катушки), менее 1,8% ( для двухслойной поисковой катушки) и менее 0,8% (для 10-слойной поисковой катушки).Это также указывает на очень хорошее совпадение. Сравнение рассчитанной (согласно (17)), смоделированной и измеренной частотной зависимости постоянной поисковой катушки печатной платы показано на Рис. 6, Рис. 7 и Рис. 8. Однослойный Соленоид типа Гельмгольца 22 22. М. Ульвр, «Установка для создания переменного магнитного поля от 3 кГц до 100 кГц», IEEE Trans. по Magnetics 51 (2015). мультиметр типа 3458A использовался для измерения зависимости постоянной частоты поисковой катушки. Константа поисковой катушки была рассчитана для заданной частоты и B RMS = 0.1 мТл согласно (19), а расширенная неопределенность измеренной частотной зависимости составляла 0,3% до 50 кГц. Отличия от рассчитанной частотной зависимости, смоделированной частотной зависимости из CST Studio и измеренной частотной зависимости менее 1%. Очевидно, что все три типа поисковых катушек на печатной плате не зависят от частоты до 20 кГц.

Magnetic Flux — обзор

7.4 Скребки для рассеивания магнитного потока (MFL)

Скребки MFL

были впервые представлены в середине 1960-х годов.С тех пор возможности поточного контроля развивались и продолжают развиваться сегодня. MFL — самый старый и наиболее часто используемый метод контроля трубопроводов. Он может надежно обнаружить потерю металла из-за коррозии и, зачастую, строжки. Кроме того, системы MFL, не предназначенные для этой цели, иногда могут обнаруживать металлургические и другие геометрические аномалии, такие как вмятины.

7.4.1 Принципы и технологии

MFL начинается с магнита. У магнита есть два конца, называемые северным и южным полюсами.Полюса действуют на железо и сталь. Эта сила притяжения вызвана магнитным полем. На рис. 7.2 показаны силовые линии вокруг магнита и его полюсов, рассчитанные с использованием анализа методом конечных элементов. Магнит — это темно-серая полоса в верхней части рисунка. Линии потока представляют силу и направление магнитного поля, а плотные линии указывают на сильное магнитное поле. Изогнутые секции, прикрепленные к полюсам, сделаны из магнитного материала (стали или железа), который используется для направления магнитного потока в определенном направлении.

7.2. Линии потока вокруг магнита.

Когда магнит помещается рядом со стенкой трубы, большая часть магнитных линий проходит через стенку трубы, как показано на рис. 7.3. Стенка трубы является предпочтительным путем для потока, поскольку ее легче намагничивать. В то время как большая часть магнитных линий концентрируется в стенке трубы, некоторые проходят через окружающую среду. На рисунке 7.4 показано, что утечка потока происходит при аномалии потери металла, где наблюдается локальное уменьшение толщины трубы. В аномалии флюс, который был унесен потерянным металлом, должен куда-то уходить.Некоторые из них уносятся через более тонкую секцию, а некоторые «протекают» с обеих поверхностей трубы.

7.3. Линии флюса на стенке трубы.

7,4. Линии потока на аномалии.

Датчик, расположенный внутри (со стороны магнита) трубы, обычно используется для измерения магнитного поля рядом со стенкой трубы. При аномалии потери металла датчик регистрирует более высокую плотность потока или магнитное поле, что указывает на наличие аномалии. Таким образом, скребок MFL обнаруживает аномалию, которая вызывает утечку флюса.Измеренное поле рассеяния зависит от глубины, длины, ширины, формы и аномалии, а также магнитные свойства близлежащего материала. Чтобы охарактеризовать аномалию, необходимо проанализировать измеренное поле утечки.

Группы датчиков содержатся в головках датчиков, которые устанавливаются между магнитами. Эти головки подпружинены и перемещаются по внутренней стенке трубы. Поддержание тесного контакта со стенкой трубы важно, поскольку расстояние между датчиком и стенкой трубы влияет на измеряемый сигнал.

Подводя итог, можно сказать, что инструменты MFL применяют принципы утечки флюса в жестких условиях проточного и находящегося под давлением трубопровода. Система намагничивания применяет магнитное поле, когда инструмент перемещается по линии. Аномалии искажают это приложенное поле, вызывая утечку потока. Величина рассеяния магнитного потока зависит от размера и формы аномалии, а также от магнитных свойств ближайшей стальной трубы. Датчики измеряют утечку магнитного потока, а система регистрации сохраняет результаты измерений внутри инструмента контроля.После завершения инспекции измерения анализируются для выявления аномалий, определения их происхождения и оценки геометрии и серьезности аномалии.

7.4.2 Направление намагничивания

Направление намагничивания играет важную роль в установлении возможностей системы контроля MFL. Большинство инструментов MFL намагничиваются в осевом направлении и создают магнитные линии, идущие параллельно оси трубы. Все системы MFL более чувствительны к аномалиям, которые пересекают линии потока, чем те, которые параллельны потоку.Следовательно, инструменты, использующие осевое намагничивание, более чувствительны к аномалиям, которые имеют ширину по окружности, поскольку они пересекают силовые линии. Они менее чувствительны к узким по окружности аномалиям.

Некоторые инструменты MFL предназначены для намагничивания в окружном направлении. Эти инструменты наиболее чувствительны к аксиально длинным аномалиям и, как и ожидалось, наименее чувствительны к аксиально коротким аномалиям. Другие инструменты намагничиваются по спирали. Эти реализации более чувствительны к любой аномалии, которая не совпадает с соответствующими магнитными линиями.

Инженерная механика показывает, что аномалии с длинной в осевом направлении обычно более серьезны, чем аномалии с короткой по оси. Окружная ширина играет меньшую роль. Почему все инструменты MFL не намагничиваются в окружном или спиральном направлении? Ответ кроется в сложности получаемых инструментов и сигналов MFL, а также в том, как такие параметры, как скорость инструмента, влияют на мощность и форму сигнала.

7.4.3 Скорость и другие эффекты

Движущееся магнитное поле (встроенный инструмент контроля MFL) в проводнике (трубе) будет индуцировать электрические токи в проводнике.Эти токи, в свою очередь, влияют на приложенные поля и поля утечки. В результате контроль MFL зависит от скорости. Электрические токи, индуцируемые движением инструмента MFL, зависят от направления движения относительно направления потока. Когда движение и направление потока одинаковы, есть небольшой эффект. Когда направления перпендикулярны, эффект намного больше. В результате поля, приложенные по окружности (и инструменты MFL по окружности), более чувствительны к скорости, чем поля, приложенные в осевом направлении (и инструменты с осевым MFL).Спирально приложенные поля несколько чувствительны к скорости.

Механические напряжения и деформации влияют на магнитные свойства трубной стали. Изменение магнитных свойств, в свою очередь, влияет на напряженность и однородность приложенного поля. В результате стресс затрудняет анализ данных проверки. Эффекты напряжения наиболее выражены при более низких значениях напряженности магнитного поля. Таким образом, большинство инспекционных компаний проектируют свои системы с очень сильными магнитами.

7.4.4 Оценка результатов MFL

Связи между сигналами MFL и геометрией и серьезностью аномалии являются сложными.Важно понимать три ключевых понятия. Во-первых, не существует взаимно однозначного отношения между компонентами сигнала MFL и размерами аномалии, такими как глубина, длина и ширина. Например, глубокие аномалии создают сильные сигналы в большинстве инструментов MFL, за исключением случаев, когда аномалия длинная и узкая. Для длинных узких аномалий сигналы становятся все меньше по мере уменьшения ширины аномалии. Для осевых трещин сигнал практически пропадает!

Вторая ключевая концепция заключается в том, что конструкция инструмента и условия контроля влияют на измеряемые сигналы.Разработчики любого оборудования идут на компромиссы, чтобы упростить использование или удешевить его изготовление. Поставщики инспекций — не исключение. Часто приходится идти на компромисс, чтобы улучшить возможности в одной области за счет возможностей в другой.

В-третьих, условия проверки влияют на сигналы. Ранее упомянутые примеры включают скорость инструмента (которая может значительно меняться во время проверки трубопровода природного газа) и расстояние между датчиком и стенкой трубы. Другие примеры включают остаточную намагниченность (намагниченность, оставшуюся после предыдущих проверок), изменения толщины стенок и качества трубы, а также наличие близлежащих металлических предметов.Эти примеры не исчерпывающие.

Закон Ленца, магнитный поток и ЭДС движения — стенограмма видео и урока

Магнитный поток

Фарадей обнаружил, что изменение величины магнитного поля, проходящего через катушку с проволокой, величина, называемая магнитным потоком , вызывает в проводе ток. Итак, что такое магнитный поток? Все магниты создают вокруг себя невидимое магнитное поле, и величина этого поля, которое проходит через центр катушки с проволокой, является магнитным потоком, проходящим через катушку.Слово «поток» происходит от латинского слова, означающего «поток», поэтому под магнитным потоком следует понимать величину магнитного поля, протекающего через область, образованную катушкой с проволокой, точно так же, как вода может течь по трубе.

Магнитный поток может измениться при изменении магнитного поля или при вращении катушки, и в обоих случаях это изменение магнитного потока вызовет ток в проводе. Это уравнение показывает, как рассчитать магнитный поток, который измеряется в единицах Вебера, сокращенно Wb.

Уравнение 1

Закон Фарадея

Закон Фарадея описывает взаимосвязь между разностью потенциалов между концами провода, также известную как ЭДС (что означает E lectro M otive F orce) , и скорость изменения магнитного потока через катушку. Это индуцированное напряжение вызовет протекание тока в проводе, но помните, что это произойдет только при изменении магнитного потока! Недостаточно просто иметь провод в магнитном поле, но поле должно как-то меняться.

Помните, что прежде чем вы сможете рассчитать наведенную ЭДС с использованием закона Фарадея, вам сначала нужно будет вычислить магнитный поток, используя наше первое уравнение.

Уравнение 2

Как может измениться магнитный поток? Что ж, это могло произойти несколькими способами. Во-первых, вы можете переместить провод. Индуцированное в этом случае напряжение называется ЭДС движения , потому что оно вызывается движением провода через магнитное поле.Во-вторых, вы можете сделать петлю больше или меньше и, следовательно, изменить площадь. Вы также можете повернуть петлю, чтобы магнитное поле, проходящее через нее, изменилось. Вот что происходит в электрическом генераторе.

Закон Ленца

Вы заметили, что в законе Фарадея есть отрицательный знак? Возможно, вы задались вопросом, что это значит. Изначально в первоначальной формулировке Фарадея отрицательного знака не было. Знак минус говорит вам, в каком направлении будет индуцироваться ЭДС и, следовательно, в каком направлении будет течь ток.Фарадей обнаружил, что изменяющийся магнитный поток вызывает эдс и ток в проволочной катушке, но потребовался другой ученый, Генрих Ленц, чтобы выяснить, в каком направлении это произойдет.

Закон

Ленца гласит, что ток будет индуцироваться в катушке в направлении, противодействующем любому изменению магнитного потока, проходящего через катушку. Еще раз, изменение является важным элементом, и поскольку ток индуцируется, чтобы противодействовать изменению, индуцированная ЭДС, рассчитанная с использованием закона Фарадея, всегда имеет направление, противоположное изменению магнитного потока.Вот почему был добавлен отрицательный знак. Изменение магнитного потока и наведенная ЭДС всегда противоположны.

Хотя закон Ленца не имеет связанного с ним уравнения и составляет лишь небольшую часть закона Фарадея, это мощный инструмент, который позволяет нам определить, в каком направлении будет индуцироваться ток. Перемещение магнита в катушку с проволокой или из нее вызовет ток в проволоке, и направление тока можно определить по закону Ленца.

Собираем все вместе

Теперь давайте попробуем собрать все это вместе и посмотрим, действительно ли вы понимаете, как использовать закон Фарадея и закон Ленца.

Круглая петля из проволоки площадью 0,50 квадратных метров помещена в магнитное поле 6,2 Тл, которое направлено вверх через петлю. Внезапно магнитное поле исчезает, и магнитное поле через петлю становится равным нулю в течение 0,10 секунды. Вычислите ЭДС, индуцированную в проволочной петле, и определите, в каком направлении будет течь ток (по часовой стрелке или против часовой стрелки).

Сначала определите, меняется ли магнитный поток, и, если да, вычислите магнитный поток в начале и в конце.В этой задаче магнитное поле снимается, поэтому меняется магнитный поток. Рассчитаем магнитный поток в начале:

Когда мы применяем закон Ленца, мы получаем -31 В. Поскольку мы выдвигаем магнит из катушки с проволокой, а магнитное поле направлено вверх, индуцированный ток будет против часовой стрелки.

Резюме урока

Магнитный поток определяет количество магнитного поля, которое проходит через область. Когда магнитный поток через петлю из проволоки изменяется, он индуцирует электрический ток, протекающий в проволоке, явление, называемое электромагнитной индукцией . Ток течет в проводе из-за наведенной разности потенциалов, известной как ЭДС , между двумя концами провода.

Закон Фарадея гласит, что ЭДС будет индуцироваться всякий раз, когда изменяется магнитный поток.Это изменение может происходить из-за перемещения провода через магнитное поле, и это называется ЭДС движения . Это также может быть вызвано добавлением или удалением магнитного поля. Закон Ленца гласит, что ток будет индуцироваться в направлении, которое будет противодействовать любому изменению магнитного потока через петлю.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *