Метод магнитной индукции: Принципиальные методы измерения напряженности и индукции магнитного поля в магнетиках

Содержание

Принципиальные методы измерения напряженности и индукции магнитного поля в магнетиках

Прямое измерение индукции магнитного поля

Прямое измерение индукции магнитного поля при помощи витка с током основано на явлении электромагнитной индукции Фарадея.

Напомним один из основных законов электромагнетизма.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

При изменении магнитного потока, проходящего через замкнутый контур, в контуре возникает ЭДС индукции.

Скорость изменения магнитного потока через замкнутый контур по модулю равна ЭДС индукции, возникающей в контуре.

Как измерить индукцию магнитного поля прямым методом? Сначала проводник в виде небольшой плоской петли замыкают на гальванометр и ориентируют так, чтобы линии магнитной индукции магнитного поля были перпендикулярны плоскости проводника. Затем проводник поворачивают вокруг своей оси на 90°. По закону электромагнитной индукции через гальванометр при этом должен пройти импульс тока. Измерив этот импульс, определяют среднее значение магнитной индукции B в области петли. 

Косвенные методы измерение напряженности и индукции магнитного поля

Прямое (непосредственное) измерение величины B описанным выше способом возможно не всегда. Например, так невозможно измерить индукцию магнитного поля в веществе. 

Необходимо принимать во внимание, что при переходе границы магнетика нормальные составляющие вектора магнитной индукции и тангенциальные составляющие вектора напряженности непрерывны. 

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Как измеряют вектор магнитной индукции в веществе? Для этого в исследуемом материале делают полость и проводят измерение. Также при обработке результатов учитывают форму полости.

Способ 1. В магнетике делают параллельный магнитному полю и бесконечно узкий канал. Так как канал бесконечно узкий, можно принять, что напряженность поля в нем и в окружающем магнетике одинаковы. В канал помещается пробный виток, измеряется величина магнитной индукции. Так как в канале отсутствует вещество магнетика и μ=1, получаем:

B→=μ0H→.

Способ 2. В магнетике создают бесконечно узкую щель. Удаление вещества, учитывая бесконечно малый размер щели, не сказывается на магнитном поле (удалением вещества можно пренебречь). Измеряя индукцию в щели, узнаем индукцию магнитного поля в веществе.

Пример

Пусть у нас есть электромагнит, состоящий из железного сердечника и катушек с током. Число витков с током равно N. Сердечник имеет узкий воздушный зазор длиной lv. По большей части линии магнитной индукции сосредоточены  внутри сердечника и пересекают границу воздух-сердечник по нормали к поверхности раздела. Найти величину магнитной индукции в воздушном зазоре электромагнита.

Решение.

Магнитная индукция в зазоре и сердечнике одинакова по модулю, если зазор бесконечно мал. 

B1n=B2n

Применяя теорему о циркуляции вектора напряженности H→, получим выражения для напряженности в железе и воздухе.

Напряженность в железе равна HFe=Bμ0μFe. Напряженность в воздухе: Hv=Bμ0μv. Циркуляция вектора напряженности запишется в виде:

HFelFe+Hvlv=NI

где I — сила тока в катушке, lFe — длина контура в железном сердечнике.

Подставим сюда записанные выше выражение для напряженности:

Bμ0μFelFe+Bμ0μvlv=NI.

Отсюда выразим магнитную индукцию:

B=μ0lNlvμv+lFeμFe≈μ0lNlv+lFeμFe.

Магнитная проницаемость железа велика, и соотношением lFeμFe≪1 можно пренебречь. Тогда выражение для индукции запишется в виде:

B≈μ0lNlv.

Измерение напряженности магнитного поля методом Гаусса

Данный метод применяется для измерения магнитного поля Земли.

Определение

Постоянные магниты — это магнетики, вектор намагниченности J→ которых остается неизменным (или меняется незначительно) при внесении магнетика во внешнее магнитное поле.

На этом определении и базируется суть метода. Для измерения напряженности магнитного поля методом Гаусса берется постоянный магнит в форме стержня, намагниченный параллельно оси. Если поместить такой магнит в постоянное магнитное поле с индукцией B→, на него будет действовать вращающий магнитный момент M→.

M→=Pm→B→.

Здесь Pm→ — магнитный момент стержня. Под действием момента M→ стержень, вращаясь вокруг своего центра масс, придет в состояние равновесия и установится вдоль вектора поля B→. При небольших отклонениях от положения равновесия возникают колебания с периодом T=2πθPm→B→, где θ — момент инерции стержня. 

Магнит-стержень закрепляется перпендикулярно магнитному полю B→, а на расстоянии r от его центра помещается маленькая магнитная стрелка. Стержень можно считать магнитным диполем, а для магнитного поля стержня в месте нахождения стрелки можно записать:

B1=2Pmr3.

Под воздействием полей B→ и B→1 стрелка установится под углом α к постоянному магнитному полю:

tgα=B1B=2PmBr3.

Измеряя период T и вычисляя угол α, находят магнитный момент стержня и значение индукции магнитного поля.

ВНИИМ::магнит-лаб-публикации

Научно-исследовательская лаборатория госэталонов в области магнитных измерений

Лабораторией разработаны и внедрены следующие действующие нормативные документы:

  1. ГОСТ 8.030-2013. ГСИ. Государственный первичный эталон единиц магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и градиента магнитной индукции 0-20000 Гц. М.: Издательство стандартов, 2015 г.
  2. РД 50-486-84. Методические указания. Катушки магнитного потока и измерительные катушки. Методы и средства поверки.
  3. РД 50-487-84 Методические указания. Средства измерения магнитной индукции постоянного магнитного поля от 1·10-10 до 5·10-2 Тл образцовые. Методы и средства поверки.
  4. РД 50-488-84. Методические указания. Средства измерения переменного магнитного поля от 1·10-13 до 3·10-2 Тл образцовые 2-го разряда. Диапазон частот 1-20000 Гц. Методы и средства поверки.
  5. МИ 156-78. Методика поверки рабочих средств измерения магнитной индукции постоянного поля в диапазоне 1·10-8-5·10-2 Тл.
  6. МИ 166-78. Методика поверки рабочих средств измерения магнитной индукции переменного магнитного поля.
  7. МИ 191-79. Методика поверки образцовых и рабочих средств измерения магнитного момента.
  8. МИ 940-85. ГСИ. Меры магнитной восприимчивости пара-, диа- и слабомагнитных материалов. Методика поверки.


Основные научные публикации лаборатории за 2005-2014 гг.:

  1. V.Ya.Shifrin, T.I.Chikvadze, V.N.Kalabin, P.G.Park, V.A.Ryabkov, «Transportable сalibration system for scalar geomagnetometers», Metrologia, 42 (2005), 394 – 399, Paris
  2. V.Ya.Shifrin*, V.N.Khorev, V.N.Kalabin and P.G.Park, «Experimental estimation of accuracy of modern scalar quantum magnetometers in measurements of the Earth magnetic field», Physics of the Earth and Planetary Interiors, 166, 2008, 146-152
  3. V.N.Kalabin, Po Gyu Park, V. Ya.Shifrin, «PRECISION LOW-FREQUENCY AC MAGNETIC FIELD TRANSDUCER», CPEM2006, 9-14 July 2006 — Turin, Italy
  4. V.Ya.Shifrin, V.N.Khorev, V.N.Kalabin, S.L.Voronov, «Reproduction of four base magnetic units in the unified standard of VNIIM», СРЕМ 2012
  5. В.Я.Шифрин, В.Н.Хорев, В.Н.Калабин, С.Л.Воронов, А.Е.Шилов Государственный первичный эталон единиц магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и градиента магнитной индукции, «Измерительная техника», № 7, стр. 3-7, 2012 г.
  6. V.Ya.Shifrin, V.N.Khorev, J.Rasson, Po Gyu Park, «International comparisons to establish the traceability in the global network of geomagnetic observatories to SI units», «Metrologia», Paris, 2014


Участие в международных конференциях за 2005-2014 гг:

  1. Po Gyu Park, V.Ya.Shifrin, Young Gyun Kim, Mun-Seog Kim, Kyu-Tae Kim, «Automatic Compensation of Earth Magnetic Field and Calibration System of Magnetometers Below 1 mT «, INTERMAG-2005.
  2. V.Ya.Shifrin, V.N.Khorev, V.N.Kalabin and P.G.Park, «METROLOGICAL RESEARCHES OF PROTON AND OPTICAL PUMPING OMAGNETOMETERS», CPEM 2008, Boulder, 8-13 June 2008, Broomfield, Colorado, USA.
  3. Po Gyu Park, Y.G.Kim, V.N.Kalabin, V.Ya.Shifrin, «AC MAGNETIC FLUX DENSITY STANDARDS IN LOW FREQUENCY RANGE», CPEM 2008, Boulder, 8-13 June 2008, Broomfield, Colorado, USA.
  4. Po Gyu Park, V.Ya.Shifrin, «Update Shielded Proton Gyromagnetic Ratio», IAGA Working Group V-OBS: Geomagnetic Observatories, August, 2009
  5. Po Gyu Park, Young Gyun Kim, Wan-Seop Kim and V.Ya.Shifrin* «AC/DC MAGNETIC FLUX DENSITY STANDARDS AT KRISS», СРЕМ 2010, Daejeon, R. Korea, June 2010.
  6. Po Gyu Park and V.Ya.Shifirn, «A PROPOSAL FOR A APMP KEY COMPARISON OF A SCALAR QUANTUM MAGNETOMETERS IN THE GEOMAGNETIC RANGE», IAGA conference, China, Changhun, Sept. 2010
  7. Po Gyu Park*, V.Ya.Shifrin, and Was-Seop Kim* VNIIM/KRISS Bilateral Comparison of dc Magnetic Flux Density by Means of a Transfer Standard Coil, СРЕМ2012, Washington, July, 2012.
  8. V.Ya.Shifrin, V.N.Khorev, V.N.Kalabin, S.L.Voronov, «Reproduction of four base magnetic units in the unified standard of VNIIM», СРЕМ 2012
  9. Po Gyu Park*, Was-Seop Kim*, Mun-Seog Kim and V. Ya. Shifrin, «Measurement and analysis of Earth’s Magnetic field based on low Magnetic Field Standard», CPEM 2014, Digest, p 358 -359, Rio de Janeiro, Brasil, August 2014.
  10. V.Ya.Shifrin, V.N.Khorev, J.Rasson, Po Gyu Park, «INTERNATIONAL COMPARISON IN THE FIELD OF EARTH-LEVEL DC MAGNETIC FLUX DENSITY MEASUREMENTS (APMP.EM-S14)», IAGA Workshop, October 2014, India.

: Металлургия: образование, работа, бизнес :: MarkMet.ru


ГОСТ 12119.1-98

Группа В39

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Сталь электротехническая

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Методы измерения магнитной индукции и коэрцитивной силы
в аппарате Эпштейна и на кольцевых образцах
в постоянном магнитном поле

Electrical steel. Methods of test for magnetic and electrical properties.
Methods for measurement of magnetic induction and coercivity
in Epshtein apparatus and on ring-shaped specimens in magnetostatic field

МКС 77.040.20
ОКСТУ 0909

Дата введения 1999-07-01


Предисловие

     1 РАЗРАБОТАН Российской Федерацией, Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 120 «Металлопродукция из черных металлов и сплавов»
     
     ВНЕСЕН Госстандартом России
     
     2 ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол N 13 от 28 мая 1998 г.)

     
     За принятие проголосовали:
     


Наименование государства


 Наименование национального органа по стандартизации

Азербайджанская Республика

Азгосстандарт

Республика Армения

Армгосстандарт

Республика Беларусь

Госстандарт Беларуси

Киргизская Республика

Киргизстандарт

Российская Федерация

Госстандарт России

Республика Таджикистан

Таджикгосстандарт

Туркменистан

Главная государственная инспекция Туркменистана

Республика Узбекистан

Узгосстандарт

Украина

Госстандарт Украины


     
     3 Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии от 8 декабря 1998 г. N 437 межгосударственный стандарт ГОСТ 12119.1-98 введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 июля 1999 г.
     
     4 ВЗАМЕН ГОСТ 12119-80 в части раздела 2
     
     5 ПЕРЕИЗДАНИЕ
     

     1 Область применения

     
     Настоящий стандарт устанавливает методы измерения магнитной индукции основной кривой намагничивания при напряженности постоянного магнитного поля 0,2-2500 А/м и коэрцитивной силы предельной петли магнитного гистерезиса в аппарате Эпштейна и на кольцевых образцах в постоянном магнитном поле.         
 

    

     2 Нормативные ссылки
     

     В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:
     
     ГОСТ 8.377-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Материалы магнитомягкие. Методики выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик
     
     ГОСТ 8711-93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 2. Особые требования к амперметрам и вольтметрам
     
     ГОСТ 12119.0-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Общие требования
     
     ГОСТ 20798-75 Меры взаимной индуктивности. Общие технические условия
     
     ГОСТ 21427.1-83 Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая. Технические условия
     
     ГОСТ 21427.2-83 Сталь электротехническая холоднокатаная изотропная тонколистовая. Технические условия
     
     ГОСТ 23737-79 Меры электрического сопротивления. Общие технические условия

          

      

     3 Общие требования
     

     Общие требования к методам испытания — по ГОСТ 12119.0.
     
     Термины, применяемые в настоящем стандарте, — по ГОСТ 12119.0.
     

     

     4 Подготовка образцов для испытаний

     
     4.1 Образцы кольцевой формы вытачивают из заготовок, собирают из штампованных и точеных колец толщиной от 0,1 до 4,0 мм или навивают из ленты толщиной не более 0,35 мм и помещают в кассеты из изоляционного материала толщиной не более 3 мм или неферромагнитного металла толщиной не более 0,3 мм. Отношение наружного диаметра к внутреннему должно быть не более 1,3; площадь поперечного сечения образца — не менее 0,1 см.
     
      4.2 Образцы для аппарата Эпштейна изготовляют из полос толщиной от 0,1 до 4,0 мм длиной от 280 до 500 мм, шириной — (30,0±0,2) мм. Полосы образца не должны отличаться друг от друга по длине более чем на ±0,2%. Площадь поперечного сечения образца должна быть от 0,5 до 1,5 см. Число полос в образце должно быть кратным четырем, минимальное число полос должно быть равно двенадцати.
     
     Образцы анизотропной стали нарезают вдоль направления прокатки. Угол между направлениями прокатки и нарезки полос не должен превышать 1°.
     
     Для образцов изотропной стали половину полос нарезают вдоль направления прокатки, другую — поперек. Угол между направлениями прокатки и нарезки не должен превышать 5°. Полосы группируют в четыре пакета: два — из полос, нарезанных вдоль направления прокатки, два — поперек. Пакеты с одинаково нарезанными полосами размещают в параллельно расположенных катушках аппарата.
     
     Допускается полосы нарезать под одним и тем же углом к направлению прокатки. Направление прокатки для всех полос, уложенных в одну катушку, должно быть одинаковым.     

     

  

     5 Применяемая аппаратура

     5.1 Установка. Схема установки приведена на рисунке 1.
     

     

          

Рисунок 1 — Схема для измерений в постоянном магнитном поле

     
     
     5.1.1 Амперметр  для измерения постоянного тока и последующего определения напряженности магнитного поля должен иметь пределы от 15 мА до 15 А, класс точности не ниже 0,2 по ГОСТ 8711.
     
     Допускается использовать вольтметр постоянного тока с резистором.
     
     5.1.2 Амперметр  любой системы, кроме детекторной, для измерения переменного размагничивающего тока должен иметь предел измерения от 1 мА до 15 А, класс точности не ниже 2,5 по ГОСТ 8711.
     
     Допускается использовать вольтметр для оценки значения размагничивающего тока по напряжению на измерительной обмотке и кривой намагничивания для соответствующей марки стали. Прибор должен иметь предел измерения от 1 мВ до 30 В, класс точности не ниже 2,5 по ГОСТ 8711.
     
     5.1.3 Баллистический гальванометр  для измерения магнитного потока должен иметь период собственных колебаний не менее 15 с; режим периодический, близкий к критическому; чувствительность не менее 100 дел/мВб; разряд по постоянству нулевого положения — не более единицы.
     
     Допускается использовать баллистический гальванометр с шунтом, магнитоэлектрический или электронный интегрирующий веберметр для измерения магнитного потока от 0,1 до 10,0 мВб с погрешностью в пределах ±0,5%, веберметры с делителями напряжения для расширения пределов измерения и (или) получения отсчетов, численно равных амплитудам магнитной индукции в образце.
     
      5.1.4 Резисторы  и  для плавного регулирования тока в интервале от 2 мА до 15 А с дискретностью 0,1%.
     
     5.1.5 Магазины сопротивлений , ,  для регулирования чувствительности и режима гальванометра должны иметь пределы от 0,1 Ом до 10 кОм, класс точности не ниже 0,2 по ГОСТ 23737.
     
     5.1.6 Автотрансформатор  для размагничивания образца должен иметь мощность не менее 0,4 кВ·А и обеспечивать плавное регулирование тока от 0,2 мА до 15 А.
     
     5.1.7 Катушка  для градуирования баллистического гальванометра должна иметь коэффициент взаимной индуктивности от 1 до 10 мГн, класс точности не ниже 0,2 по ГОСТ 20798.
     
     5.1.8 Катушка  для компенсации магнитного потока вне образца должна иметь число витков обмотки I не более пятидесяти, сопротивление — не более 0,05 Ом, сопротивление обмотки II — не более 3 Ом. Обмотки укладывают на цилиндрический каркас из немагнитного изоляционного материала длиной от 25 до 35 мм, диаметром от 40 до 60 мм. Ось катушки должна быть перпендикулярна к плоскости силовых линий образца при закреплении ее на аппарате Эпштейна. Относительная разность коэффициентов взаимной индуктивности катушки  и аппарата Эпштейна без образца не должна выходить за пределы ±5%.
     
     Допускается исключать из схемы (см. рисунок 1) катушку  при магнитном потоке вне образца, не превышающем 0,2% измеряемого, или при введении поправки на этот магнитный поток.
     
     5.1.9 Намагничивающие (I) и измерительные (II) обмотки кольцевого образца  должны соответствовать требованиям ГОСТ 8.377.
     
     5.1.10 Аппарат Эпштейна, применяемый для испытания образцов , составленных из полос, должен иметь четыре катушки на каркасах из немагнитного изоляционного материала размерами:
     
     ширина внутреннего окна — (32,0±0,5) мм;
     
     высота — от 10 до 15 мм;
     
     толщина стенок каркаса — от 1,5 до 2,0 мм;
     
     длина участка катушки с обмоткой — не менее 190 мм;
     
     длина катушки — (220±1) мм.
     
     Число витков в обмотках аппарата выбирают  в соответствии с таблицей 1.
     
     
Таблица 1
     

Напряженность магнитного поля,
А/м

Число витков в обмотке

 I — намагничивающей

II — измерительной

От      0,2  до  1,0  включ.

4

600-2000

Св.    1,0   »  100,0    «

150-700

200-700

  »   100,0  » 2500,0   «

600-1500

20-700

     
     Примечания
     
     1 Намагничивающую обмотку из четырех витков выполняют из медных гильз толщиной 0,2-0,3 мм, расположенных вдоль каркасов. Гильзы должны иметь зазор 2-3 мм, по обе стороны которого на одинаковом расстоянии припаивают по пять выводов и, соединяя их между собой, получают начало и конец одного витка.
     
     2 Остальные обмотки наматывают равномерно по длине каркасов катушки. Число слоев каждой обмотки на каркасах должно быть нечетным.
     
     
     5.1.11 Источник питания  для намагничивания образца должен обеспечивать постоянное выходное напряжение не менее 20 В, изменение намагничивающего тока — не более 0,2% в минуту, отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения к постоянной составляющей — не более 0,05%. При напряженности магнитного поля 5 А/м допускается увеличение отношения до 0,1%. Допускается использовать стабилизатор постоянного напряжения.
     
     5.1.12 Источник сетевого переменного напряжения  для размагничивания образца должен иметь выходную мощность не менее 0,5 кВ·А и плавное регулирование выходного напряжения.
     
     5.1.13 Переключатели , ,  и  должны быть рассчитаны на максимальный ток 15 А.
  

              

     6 Подготовка к проведению измерений

      
     6.1 Обмотки кольцевого образца или аппарата Эпштейна  подключают, как указано на рисунке 1.
     
     Полосы образца укладывают в аппарат Эпштейна, как указано на рисунке 2. Допускается фиксировать положение полос, создавая давление не более 1 кПа перпендикулярно поверхности образца вне намагничивающих катушек.
     

     

          

Рисунок 2 — Схема укладки полос образца

     
     
     6.2 Площадь поперечного сечения образцов S, м, вычисляют следующим образом:
     
     6.2.1 Площадь поперечного сечения , м, для образцов кольцевой формы из ленты любой толщины без изоляционного покрытия или из ленты толщиной не менее 0,2 мм с покрытием рассчитывают по формуле     
     

                                                                              (1)

               
где  — масса образца, кг;
 
      — наружный и внутренний диаметры кольца, м;
     
     — плотность материала, кг/м.
        
     Плотность материала , кг/м, выбирают по приложению 1 ГОСТ 21427.2 или рассчитывают по формуле     
     

                                                   (2)

         
где  и   — массовые доли кремния и алюминия, %.
     
     6.2.2 Площадь поперечного сечения , м, для образцов кольцевой формы из ленты толщиной менее 0,2 мм с изоляционным покрытием рассчитывают по формуле     
     

                                             (3)


где  — отношение плотности изоляционного покрытия к плотности материала образца,
     
где  — плотность изоляции, принятая равной 1,6·10 кг/м для неорганического покрытия и 1,1·10 кг/м для органического;

      — коэффициент заполнения, определяемый, как указано в ГОСТ 21427.1.
     
     6.2.3 Площадь поперечного сечения образцов , м, составленных из полос для аппарата Эпштейна, рассчитывают по формуле     
     

,                                                                                           (4)


где  — длина полосы, м.

     
     6.3 Погрешность определения массы образцов не должна выходить за пределы ±0,2%, наружного и внутреннего диаметров кольца — ±0,5%, длины полос — ±0,2%.
     
     6.4 Перед измерениями должна быть проведена градуировка баллистического гальванометра для определения его постоянной , Вб/дел. Градуировку проводят на установке (см. рисунок 1) при отсутствии испытуемого образца.
     
     6.4.1 Сопротивление в цепи гальванометра при градуировке и последующем измерении магнитной индукции в образце должно быть постоянным. Ток в обмотке I катушки  должен быть таким, чтобы показание гальванометра составляло от 20 до 50% длины шкалы с нулевой отметкой посередине. Отклонение указателя гальванометра должно быть в ту же сторону, что и при определении магнитных величин.
     
      6.4.2 При градуировке переключатели  и  ставят в положение 1, ключи  и  замыкают, источник  отключают. В обмотке I катушки  устанавливают заданное значение тока , А, и при размыкании цепей переключателями  и  определяют показание гальванометра , дел. Операцию повторяют не менее трех раз.
     
     6.4.3 Постоянную баллистического гальванометра , Вб/дел., вычисляют как среднее арифметическое постоянных гальванометра , Вб/дел., полученных при не менее чем трех заданных значениях тока.
     
     6.4.4 Постоянную гальванометра , Вб/дел., для заданного значения тока , А, рассчитывают по формуле     
     

                                                                                            (5)


где  — коэффициент взаимной индуктивности катушки , Гн;

     — среднее арифметическое показаний гальванометра , определенных, как указано в 6.4.2, дел.
     
     При использовании гальванометра с шунтом постоянную , Вб/дел. следует определять для каждого значения коэффициента шунтирования.
     
     6.5 При использовании веберметра из установки исключают: переключатель , катушку  и резисторы , , (см. рисунок 1).
     
     6.6 При измерении магнитной индукции в постоянном магнитном поле напряженностью менее 100 А/м проводят размагничивание образцов. Максимальная амплитуда напряженности размагничивающего поля должна превышать коэрцитивную силу образца более чем в пятьдесят раз. Амплитуда напряженности магнитного поля, при которой заканчивают размагничивание, должна быть менее 0,1 А/м.
     
     6.6.1 При толщине листа или ленты образца менее 1,0 мм размагничивание проводят в поле частотой 50 Гц.
     
     Переключатель  ставят в положение 2, ключ  замыкают (см. рисунок 1). Устанавливают ток, соответствующий максимальной амплитуде напряженности размагничивающего поля, и затем плавно уменьшают его.
     
     6.6.2 При толщине листа или ленты более 1,0 мм размагничивание проводят постоянным током. Переключатель  ставят в положение 1,  — в положение 2, замыкают ключ  и подают напряжение с генератора , соответствующее максимальной амплитуде размагничивающего тока. Коммутируют ток переключателем  не чаще одного раза в секунду и одновременно плавно уменьшают его.
     
     6.6.3 Время размагничивания должно быть не менее 40 с.
     
     6.6.4 При измерении магнитной индукции в поле напряженностью менее 1,0 А/м образцы выдерживают после размагничивания 24 ч, при измерении индукции в поле напряженностью более 1,0 А/м время выдержки может быть сокращено до 10 мин.
     
     Допускается уменьшать время выдержки при относительной разности значений индукции, полученных после нормальной и сокращенной выдержек в пределах ±2%.
     
     6.6.5 При измерении коэрцитивной силы предельной петли гистерезиса и магнитной индукции более 100 А/м образцы не размагничивают.
     
     6.7 Намагничивающий ток , А, соответствующий заданному значению напряженности поля , А/м, рассчитывают по формуле     
     

 ,                                                                                          (6)


где  — средняя длина магнитной силовой линии, м;
     
      — число витков обмотки I образца.
     
     Для образцов кольцевой формы среднюю длину магнитной силовой линии , м, рассчитывают по формуле

                                                                                  (7)


     В стандартных испытаниях для образца из полос  принимают равной 0,94 м. При необходимости повышения точности определения магнитных величин допускается значение  выбирать из таблицы 2.
     
          

 Таблица 2

Напряженность магнитного поля, А/м

Средняя длина магнитной силовой линии , м

  

для изотропной стали

для анизотропной стали

От     0   до     10  включ.

0,95

0,99

Св   10   »        70      »

0,97

0,99

 »     70    »     200       »

0,97

0,98

 »   200    »     500       »

0,93

0,96

 »   500    »   1000       »

0,91

0,95

 » 1000    »   2500       »

0,88

0,91


     

  

     7 Порядок проведения измерений     

     
     7.1 Магнитную индукцию определяют импульсно-индукционным методом: изменяют ступенчато напряженность постоянного магнитного поля; формируют импульс напряжения в обмотке II образца, связанный с магнитным потоком, и измеряют прирост магнитной индукции баллистическим гальванометром или веберметром.
     
     7.1.1 Переключатели  и  ставят в положение 1,  — в положение 2, замыкают ключ  и устанавливают резистором  значение намагничивающего тока , А, рассчитанное по формуле (6) для наименьшего значения напряженности магнитного поля.
     
     7.1.2 Коммутируют ток переключателем  не менее десяти раз, изменяют направление тока этим переключателем, размыкают ключ  и определяют показание , дел., гальванометра или значение магнитного потока , Вб, по веберметру. При коммутации ток в намагничивающей обмотке должен изменяться монотонно.
     
     7.1.3 Плавно устанавливают большее значение тока и повторяют операции, указанные в 7.1.2.
     
     7.2 Коэрцитивную силу в замкнутой магнитной цепи определяют импульсно-индукционным методом: изменяют намагничивающий ток от значения, соответствующего коэрцитивной силе, до максимального значения и измеряют магнитный поток, который должен иметь постоянную полярность и быть вдвое меньше, чем максимальный магнитный поток для петли гистерезиса.
     
     7.2.1 Переключатели  и  ставят в положение 1,  — в положение 2, замыкают ключ  и при максимальном значении сопротивления резистора  устанавливают резистором  ток , А, соответствующий напряженности магнитного поля , А/м, превышающей коэрцитивную силу , А/м, более чем в пятьдесят раз.
     
     7.2.2 Размыкают ключ , изменяют направление тока переключателем  и определяют показание , дел., баллистического гальванометра или , Bб, веберметра, соответствующее максимальному изменению магнитной индукции . Замыкают ключи  и  и возвращают переключатель  в положение 1.
     
     7.2.3 Размыкают ключ , изменяют направление тока переключателем , резистором  увеличивают ток до значения, близкого к коэрцитивной силе, и размыкают ключ . Определяют показание гальванометра , дел., или веберметра , Вб, при замыкании ключа .
     
     7.2.4 Повторяют операции, указанные в 7.2.3. Выбирают два значения тока  и  и соответствующие им показания гальванометра  и , для которых должны выполняться условия:     

          
     Показания гальванометра  и  не должны отличаться от значения 0,5 более чем на ±0,03.  
  

     

     8 Правила обработки результатов измерений

     
     8.1 Индукцию , Тл, соответствующую заданной напряженности магнитного поля , А/м, рассчитывают по формуле     
     

                                                                                     (8)


где  — постоянная гальванометра, определенная, как указано в 6.4, Вб/дел.;
     
      — среднее значение показаний гальванометра, определенных, как указано в 7.1.2, дел.;
     
       — число витков в обмотке II образца;

      — площадь поперечного сечения образца, м.
     
      При отсутствии катушки  вводят поправку на магнитный поток вне образца. Действительное значение магнитной индукции , Тл, рассчитывают по формуле     
     

                                                        (9)


где   — магнитная постоянная, Гн/м;
     
      — площадь поперечного сечения обмотки II образца, м;

      — площадь поперечного сечения образца, м.
 
     При использовании веберметра магнитную индукцию , Тл, рассчитывают по формуле     
     

                                                                                (10)


где  — показание веберметра, Вб.

     8.2 Коэрцитивную силу , А/м, рассчитывают по формуле     
     

                                                 (11)


где  — число витков обмотки I образца;
     
      — средняя длина магнитной силовой линии, определяемая, как указано в 6.7, м;
     
      — средние значения показаний гальванометра, определенные, как указано в 7.2.3 и 7.2.4, дел;
     
      — значения силы тока, соответствующие значениям  и , А;
     
     — среднее значение максимальных показаний гальванометра, определенных, как указано в 7.2.1 и 7.2.2, дел.
     
     Допускается при соблюдении условия 0,01 второе слагаемое в формуле (11) не учитывать.
     
     8.3 При использовании прямолинейной шкалы гальванометра вводят поправку , дел., рассчитываемую по формуле     
     

                                                                                           (12)


где  — расстояние между зеркалом гальванометра и шкалой в делениях шкалы.
     
     Тогда в формулах (5), (8) и (11) значения величины , дел., заменяют на значения величины , дел., рассчитываемую по формуле     
     

                                                                          (13)

          
     8.4 Погрешность измерения магнитной индукции не должна выходить за пределы, указанные в таблице 3.

     
     
Таблица 3

Магнитная индукция, Тл

Погрешность измерения, %

для изотропной стали

для анизотропной стали

  

От   1,0·10  до  1,0·10 включ.

От   1,0·10  до  1,0·10 включ.

±5

Св. 1,0·10     “      1,2              “

Св. 1,0·10     “       1,4             “

±3

 “     1,2                “       2,0             “

“      1,4               “        2,0             “

±1,5

     
     
     8.5 Погрешность измерения коэрцитивной силы не должна выходить за пределы ±3%.
    

           
Текст документа сверен по:
официальное издание
Сталь электротехническая.
Технические условия. Методы анализа:
Сб. ГОСТов. —
М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

Бесконтактное выявление и оценка глубины питинговых коррозионных повреждений стенок металлических изделий магнитным методом

Библиографическое описание:

Шаранова, Д. А. Бесконтактное выявление и оценка глубины питинговых коррозионных повреждений стенок металлических изделий магнитным методом / Д. А. Шаранова. — Текст : непосредственный // Современные тенденции технических наук : материалы V Междунар. науч. конф. (г. Казань, май 2017 г.). — Казань : Бук, 2017. — С. 35-40. — URL: https://moluch.ru/conf/tech/archive/230/12259/ (дата обращения: 10.03.2021).



На сегодняшний день технология MFL (Magnetic Flux Leakage — технология магнитного вида неразрушающего контроля, использующая, в соответствии с ГОСТ Р 55612–2013, метод эффекта Холла для анализа магнитного поля рассеивания дефекта) широко применяется ведущими компаниями, т. к. при ее использовании не требуется специальная подготовка поверхности металла и допускается наличие изолирующих покрытий (лакокрасочных, эпоксидных и др.) толщиной до 5 мм.

Основной целью контроля MFL дефектоскопом является оперативное выявление дефектов на первоначальном этапе их формирования, для исключения предпосылок техногенных катастроф. Следовательно, необходимо выявлять дефекты глубиной не более 10…30 % от толщины днища. На сегодняшний день ни один из существующих MFL — дефектоскопов не способен гарантированно выявлять дефекты глубиной до 30 % утонения во всем диапазоне толщин от 4 до 16 мм.

Метод рассеянного (вытесненного) магнитного потока является одним из основных методов магнитного вида НК для выявления:

– механических повреждений (продольных или поперечных разрывов или трещин с большим раскрытием) бесшовных и сварных труб, в том числе толстостенных;

– дефектов продольных сварных швов труб [1].

Рассмотрим возможность его применения для выявления питтинговых коррозионных повреждений листовых ферромагнитных материалов под диэлектрическими защитными покрытиями.

При расположении П — образного постоянного магнита на некотором расстоянии от стенки ферромагнитного изделия часть силовых линий прерывается на границе разделов двух сред (магнит — воздух и воздух — стенка изделия) с отличающимися значениями магнитной проницаемости µi [2].

Нормальная Hni (к поверхности раздела) составляющая напряженности магнитного поля испытывает скачок при переходе из одной среды в другую, а тангенциальные составляющие изменяются при переходе через границу раздела сред непрерывно.

Рис. 1. Преломление (скачок) силовых линий на границе раздела двух сред

При использовании редкоземельных магнитов (Nd-Fe-B) с индукцией порядка 1 … 1,1 Тл достигаемое высокое значение магнитной проницаемости µст низкоуглеродистых сталей приводит к тому, что снаружи на границе раздела воздух/сталь магнитные силовые линии направлены практически перпендикулярно к поверхности, в то время как в объеме изделия они стремятся проходить практически параллельно поверхности, что обеспечивает минимальное сопротивление магнитной цепи [1,2].

На рис. 2 приведена картина магнитного поля П-образного постоянного магнита над плоским ферромагнитным листом с относительной магнитной проницаемостью µст. При определенных соотношениях толщины стенки и размеров магнита практически все силовые линии магнитного потока будут проходить внутри стенки изделия, лишь незначительная часть из них выйдет с противоположной стороны стенки, что иллюстрируется вырезкой А [1].

Рис. 2. Картина силовых линий магнитного поля П-образного магнита над плоским ферромагнитным листом (а) и, увеличенно, участка А под полюсом магнита (б)

В случае если на одной из поверхностей листа будет участок с локальным утонением (например, питтинговой коррозией), то произойдет изменение картины магнитного поля (рис. 3).

Плотность силовых линий в районе дефекта возрастет, и часть магнитных силовых линий выйдет из листа, как со стороны установки магнита, так и с противоположной стороны (произойдет рассеяние магнитного потока), что может быть зафиксировано путем измерения нормальной составляющей напряженности магнитного поля Нiили магнитного потока Фi, пронизывающего индукционную обмотку площадью S:

Рис. 3. Картина силовых линий над плоским ферромагнитным листом с утонением (а) и, увеличенно, участка Б в районе дефекта (б)

Первичные измерительные преобразователи (в дальнейшем преобразователи), реализующие рассматриваемый метод, представляют собой П — образные магнитопроводы с вставками из постоянных редкоземельных магнитов (Nd-Fe-B) и многоканальную систему чувствительных элементов, располагаемых симметрично между полюсами магнитопровода в области магнитного поля одной интенсивности (рис. 4).

Базовые преобразователи имеют следующие размеры: длина магнита А = 25 мм, высота магнита С = 10 мм, высота ярма Е = 20 мм, высота полюса D = 25 мм, расстояние между полюсами L = 50 мм, зазор Z = 5 мм. Ширина магнитопровода составляет порядка 40 мм. Преобразователи предназначены для выявления плоскостной и питтинговой коррозии изделий с толщиной стенки Т = 6–16 мм. При lH гарантированно выявляются искусственные дефекты глубиной от h = 1,8 мм (Т = 6 мм) до h = 8 мм (Т = 16 мм). В качестве чувствительных элементов используются преобразователи Холла, анализирующие изменение нормальной составляющей Bzмагнитной индукции в точке наблюдения при перемещении преобразователя относительно дефекта вдоль оси х (начало системы координат связано с центром пропила) [1,2,3].

Рис. 4. Структура первичного измерительного преобразователя, реализующего метод MFL и объект контроля с искусственным дефектом в виде поперечного пропила, имитирующим коррозионное повреждение стенки (1 — ярмо магнитопровода, 2 и 3 — редкоземельные магниты, 4 и 5 — полюса магнитопровода, 6 — чувствительный элемент/точка наблюдения, 7 — стальной лист с искусственным дефектом)

Представляется вероятным, что не для всех диапазонов изменения Т и h чувствительность преобразователя, характеризуемая изменением амплитуды Bz (hв зоне коррозионного повреждения, будет оптимальной).

Основные показатели качества преобразователей:

– чувствительность преобразователя d/dh(Вz(h,Т)), определяющая абсолютную погрешность измерения Δh(h, Т), а также диапазон измерения hminhmax;

– минимально возможные размеры магнитопровода обеспечивающие заданные Δh(h, H) и hminhmax в требуемом диапазоне толщин ТminТmaxстенок изделий;

– массогабаритные и эргономические характеристики.

Для обеспечения требуемых показателей качества необходимо искать компромиссное решение, учитывающее взаимосвязанные показатели: диапазон измерения hminhmax, погрешность измерения Δh(h, Т), диапазон толщин ТminТmaxиминимально возможные размеры преобразователя [4].

При анализе преобразователя, представленного на рис. 4 будем полагать ширину магнитопровода много больше его высоты С и длины А, что позволяет исключить ее влияние при расчетах.

В настоящее время для решения задач, связанных с распространением электромагнитных полей широко применяются численные методы. Наиболее эффективным и широко используемым методом, является метод конечных элементов

Искомые значения параметров будем рассчитывать в узловых точках (узлах) — общих точках конечных элементов. Скалярный магнитный потенциал φM каждого конечного элемента представим в виде полинома, с постоянными в пределах этого элемента коэффициентами

φM= ai+ bix + ciy

Основная задача расчета методом конечных элементов — определить коэффициенты ai, bi, ci. После нахождения коэффициентов появляется возможность рассчитать магнитный потенциал в любой точке пространства модели. Исходные данные, дополненные граничными условиями, и энергетические зависимости приводят к системе алгебраических уравнений, которая позволяет рассчитать искомые коэффициенты полиномов во всех конечных элементах [2,3].

Применительно к задачам расчета магнитных статических полей при граничных условиях первого рода (условия Дирихле) минимизируемым функционалом является величина, пропорциональная запасенной в пространстве магнитной энергии:

WM= 0,5·∫μμ0H2dv,

где μ — магнитная проницаемость среды, Н — напряженность магнитного поля.

Так как H = -gradφM, то минимизируемый функционал можно записать в виде:

WM= 0,5·∫μμ0(gradφM)2dv,

а искомой (минимизирующей) функцией будет φM(ξ, ζ, η), при которой WMM}=>min.

В качестве функционала выступает сумма магнитных энергий, накопленных во всех конечных элементах. Как было указано выше, в данной модели элементы соприкасаются в общих, узловых, точках. Энергия элементов определяется магнитными потенциалами узловых точек

W=W1, φ2… φN},

где N — число точек.

На основании анализа и определения магнитных потенциалов общих, узловых, точек, при которых WM минимальна, формируется система алгебраических уравнений, рассчитываются магнитные потенциалы, вычисляются магнитная индукция и напряженность магнитного поля [2].

Под оптимальными геометрическими характеристиками преобразователя будем понимать такие характеристики и их соотношения, при которых достигается максимальная чувствительность в требуемой области измеряемых hminhmax контролируемых изделий в диапазоне толщин стенки ТminТmaxпри минимально возможных габаритах.

При использовании программных продуктов, реализующих метод конечных элементов, можно сформулировать следующую постановку задачи расчета преобразователя: двухмерная, осесимметричная, стационарная, в общем случае нелинейная, с открытыми границами со следующими допущениями:

– в достаточно удаленной от преобразователя зоне создаваемое им магнитное поле бесконечно мало;

– отсутствуют внешние магнитные поля;

– модель полностью стационарна (отсутствует временной и температурный дрейф физических характеристик преобразователя).

Согласно первым двум допущениям, в качестве граничных условий для моделей рассматриваемых первичных преобразователей можно назначить граничные условия первого рода (условия Дирихле). В нашей постановке это граничное условие применимо для задания нулевого значения нормальной составляющей вектора магнитной индукции на оси симметрии (в точке наблюдения) и для указания полного затухания поля на условно бесконечно удаленных от преобразователя границах. Варьируемыми параметрами будут толщина пластины Н, относительная координата x* = x/Т, относительная глубина h* = h/Т при постоянной относительной ширине пропила l* = l/Т = 1. При расчетах примем величину зазора Z = 5 мм, а магнитную индукцию в магнитопроводе Bм ≈ 1,12 Тл, соответствующую редкоземельным магнитам [4].

На рис. 5 в качестве примера представлены расчетные зависимости нормальной составляющей Bz(h*, x*) магнитной индукции над листом из стали 1010 толщиной Т = 8 мм с искусственным дефектом в виде поперечного пропила при Z = 5 мм, из которых видно, что максимальное значение Bzm(h*) достигается на краях пропила приx* 0,5.

Рис. 5. Зависимость Bz(h*, x*) над листом из стали 1010 толщиной Т = 8 мм в районе поперечного пропила шириной l* =1 при Z = 5 мм

На рис. 6 представлены расчетные зависимости максимального значения Bzm(h*,Т) нормальной составляющей магнитной индукции для рассматриваемой модели преобразователя над ферромагнитным листом из стали 1010 (аналог Ст10) с искусственным дефектом в виде поперечного пропила, выполненным в соответствии с рис. 4.

Рис. 6. Зависимость Bzm(h*, Т) над листом из стали 1010 с искусственным дефектом в виде поперечного пропила шириной l* =1 при Z = 5 мм

Из рис. 6 видно, что для чувствительность рассматриваемого преобразователя практически линейна и неизменна в широком диапазоне изменения h* при Т = 6 … 8 мм. Если Т = 2 … 4 мм, то близкие характеристики по чувствительности обеспечиваются до h* =0,15 … 0,2. При увеличении Т более 10мм наблюдается существенное снижение чувствительности преобразователя в области малых значений h*, имитирующих питтинговую коррозию. Расчеты показывают, оптимальными характеристиками преобразователь обладает в диапазоне Т = 5 до 9 мм можно выявлять дефекты в диапазоне h* = 0,05 … 0,4, а наибольшая чувствительность и максимальный диапазон h* достигаются при Т = 7 мм [2,3].

Из рисунка видно, что с использованием рассматриваемых преобразователей возможен контроль питтинговых коррозионных повреждений листовых ферромагнитных материалов в воздушной и водной средах при наличии зазора между магнитной системой и поверхностью листового материала. При пересечении зоны дефект на индукционной обмотке (чувствительном элементе) наведется эдс, площадь которой будет пропорциональна глубине дефекта (питтингового коррозионного повреждения). Для каждого диапазона толщин будут существовать оптимальные габариты измерительного преобразователя. Влияние зазора может быть учтено введением канала магнитоиндукционного толщиномера.

Литература:

  1. Потапов А. И., Сясько В. А., Соломенчук П. В. и др. Электромагнитные и магнитные методы неразрушающего контроля материалов и изделий. Т.2: Электромагнитные и магнитные методы дефектоскопии и контроля свойств материалов. СПб.: Нестор-История, 2015. — 440 с.
  2. А. И. Потапов, В. А. Сясько, О. П. Пудовкин. Оптимизация параметров первичных измерительных преобразователей, реализующих технологию MFL. «Дефектоскопия» 2015 г. № 8 стр. 64
  3. Д. А. Слесарев, А. А. Абакумов. Обработка и представление информации в MFL методе неразрушающего контроля. Дефектоскопия, № 9, 2013 г, с. 3–9
  4. Сясько В. А. Об использовании технологии MFL для выявления коррозионных повреждений обшивки судов / В. А. Сясько // В мире неразрушающего контроля. 2015. Т. 18. №. 3. C. 7–10. DOI: 10.12737/12563

Основные термины (генерируются автоматически): магнитное поле, MFL, искусственный дефект, магнитная индукция, магнитный поток, дефект глубиной, диапазон толщин, линия, плоский ферромагнитный лист, преобразователь.

метод электромагнитной индукции — это… Что такое метод электромагнитной индукции?

метод электромагнитной индукции

 

метод электромагнитной индукции

[Я.Н.Лугинский, М.С.Фези-Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо-русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва]

Тематики

  • электротехника, основные понятия

EN

  • electromagnetic induction method

Справочник технического переводчика. – Интент. 2009-2013.

  • метод электромагнитного профилирования
  • метод электромагнитной разведки

Смотреть что такое «метод электромагнитной индукции» в других словарях:

  • Закон электромагнитной индукции Фарадея —     Классическая электродинамика …   Википедия

  • Метод ядерного магнитного резонанса — Изображение мозга человека на медицинском ЯМР томографе Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)  резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией… …   Википедия

  • Классический метод расчета переходных процессов — Название метода «классический» отражает использование в нем решений дифференциальных уравнений с постоянными параметрами методами классической математики. Данный метод обладает физической наглядностью и удобен для расчета простых цепей (расчет… …   Википедия

  • Классический метод расчёта переходных процессов — Стиль этой статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Статью следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии. Название метода «классический» отражает использование в нем решений дифференциальных уравнений …   Википедия

  • Беспроводная передача электричества — Беспроводная передача электричества  способ передачи электрической энергии без использования токопроводящих элементов в электрической цепи. К 2011 году имели место успешные опыты с передачей энергии мощностью порядка десятков киловатт в… …   Википедия

  • Дарсонвализация —         метод лечения импульсным током высокой частоты (110 400 кгц), высокого напряжения (десятки тысяч вольт) и малой силы (до 100 200 ма). Название по имени Ж. А. Д Арсонваля (См. Д Арсонваль), впервые предложившего метод в 1891. Различают… …   Большая советская энциклопедия

  • Уравнения Максвелла —     Классическая электродинамика …   Википедия

  • Магнитные измерения —         измерения характеристик магнитного поля или магнитных свойств веществ (материалов). К измеряемым характеристикам магнитного поля относятся: вектор магнитной индукции (См. Магнитная индукция) В, напряжённость поля Н, поток вектора индукции …   Большая советская энциклопедия

  • Физика —         I. Предмет и структура физики          Ф. – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Поэтому понятия Ф. и сё законы лежат в основе всего… …   Большая советская энциклопедия

  • Магнитное поле —     Классическая электродинамика …   Википедия

Исследование свойств порошковых материалов системы Fe — P методами статических магнитных измерений | Кем

1. Кекало И. Б., Самарин Б. А. Физическое металловедение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами. — М.: Металлургия, 1989. -496 с.

2. Дорогина Г. А., Балакирев В. Ф., Путилина М. В. Сравнительный анализ свойств и структуры порошковых материалов системы Fe — P, спеченных в азотном газе (4 % h3) и в водороде / Физика и химия обработки материалов. 2003. № 5. С. 66 — 71.

3. Гасанов Б. Г. Взаимная диффузия и гомогенизация в порошковых сплавах. -Новочеркасск: ЮРГТУ, 2002. — 113 с.

4. Чан Мань Тунг. Особенности формирования комплекса магнитных свойств порошкового Fe — P материала — аналога технического железа, полученного горячей объемной штамповкой пористой заготовки: автореферат дисс. … канд. тех. наук. — Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2010. -24 с.

5. ГОСТ 8.377. Материалы магнитомягкие. Методика выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик. — М.: Изд-во стандартов, 1980. — 26 с.

6. ГОСТ 12119.1. Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Метод измерения магнитной индукции и коэрцитивной силы в аппарате Эпштейна и на кольцевых образцах в постоянном магнитном поле. — М.: Изд-во стандартов, 1999. — 11 с.

7. ГОСТ 10160. Сплавы прецизионные магнитно-мягкие. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1978. — 77 с.

8. Дорофеев Ю. Г., Гасанов Б. Г., Дорофеев В. Ю., Мирошников В. И., Мищенко В. Н. Промышленная технология горячего прессования порошковых изделий. — М.: Металлургия, 1990. — 206 с.

Индуцированный магнетизм и электрический метод намагничивания

Магнитная индукция — один из способов превращения магнитных материалов, таких как сталь и железо, в магниты. Другими словами, магнитная индукция — это процесс индукции магнетизма в обычном куске магнитного материала.

  • Этот метод заключается в простом размещении магнитного материала (мягкого железа) рядом с сильным магнитом, не касаясь его.
  • Слиток из мягкого железа становится индуцированным магнитом, конец которого ближе к магниту, имеющий полярность, противоположную полярности магнита.
  • Таким образом, стержень из мягкого железа притягивается и прикрепляется к постоянному магниту. Процесс магнитной индукции показывает, как магнитные материалы могут притягиваться к магнитам.
  • Индуцированный магнетизм — это временный процесс. Если постоянный магнит удален, магнитный материал обычно теряет свой наведенный магнетизм.

Электрический метод намагничивания

Для намагничивания постоянный ток, протекающий в соленоид (длинный изолированный провод, свернутый в цилиндр), создает магнитное поле, которое внутри катушки является однородным по силе и направлению.

  • Соленоид становится магнитом.

Стальной стержень, помещенный внутри катушки на короткое время, намагничивается из-за магнитной индукции соленоида.

  • Полярность магнита зависит от направления тока.

Намагничивание методом электрического тока создает более мощные магниты, чем другие методы намагничивания, такие как поглаживание.

Сравнение электромагнита и постоянного магнита

Электромагнит Постоянный магнит
Изготовлен из мотка проволоки (часто с сердечником из мягкого железа) Изготовлен из магнитотвердого материала, такого как сталь
Магнетизм временный.Требуется ток через катушку для поддержания напряженности магнитного поля Магнетизм постоянный. Не требует электрического тока для сохранения напряженности магнитного поля
Применения: Телефонные приемники, электрические реле, электрические звонки, автоматические выключатели Применения: Магнитные ограничители дверей, компасы, двигатели

Индуцированная ЭДС и магнитный поток

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • 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 в верхней части железного кольца и передается на катушку в нижней части. 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 важным, 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.

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 проводится и часто проводится в физических лабораториях, показан на рис. 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, и 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 изучены в следующих разделах.Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель (другая симметрия).

Рис. 3. Вращение катушки в магнитном поле создает ЭДС. Это основная конструкция генератора, в котором работа, выполняемая 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 , Φ , определяемым

.

Φ = BA cos θ ,

, где B — напряженность магнитного поля над площадью A , под углом θ с перпендикуляром к области, как показано на рисунке 5. Любое изменение магнитного потока Φ индуцирует ЭДС. Этот процесс определяется как электромагнитная индукция . Единицы магнитного потока Φ Т м 2 . Как видно на рисунке 4, B cos θ = B , который является составляющей B , перпендикулярной площади A . Таким образом, магнитный поток равен Φ = B A , произведению площади и составляющей магнитного поля, перпендикулярной 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 Φ . Например, Фарадей изменил B и, следовательно, Φ 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 θ и, следовательно, Φ изменяется. Насколько велика ЭДС и какое направление она принимает, зависит от изменения Φ и от того, как быстро это изменение будет выполнено, как будет рассмотрено в следующем разделе.

Сводка раздела

  • Ключевой величиной в индукции является магнитный поток Φ , определяемый как Φ = BA cos θ , где B — напряженность магнитного поля над площадью A под углом θ к перпендикуляру к площади. .
  • Единицы магнитного потока Φ Т м 2 .
  • Любое изменение магнитного потока Φ индуцирует ЭДС — процесс определяется как электромагнитная индукция.

Концептуальные вопросы

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

2. Когда магнит вдавливается в катушку, как показано на рисунке 2 (а), в каком направлении сила, прилагаемая катушкой к магниту? 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.(а) Плоскости двух катушек перпендикулярны. (б) Проволока перпендикулярна плоскости катушки.

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

Глоссарий

магнитный поток:
величина магнитного поля, проходящего через конкретную область, рассчитанная с помощью Φ = B A cos θ , где B — напряженность магнитного поля над площадью A под углом θ к перпендикуляру к площадь
электромагнитная индукция:
процесс наведения ЭДС (напряжения) с изменением магнитного потока

20.3 Электромагнитная индукция — физика

Изменение магнитных полей

В предыдущем разделе мы узнали, что ток создает магнитное поле. Если природа симметрична, то, возможно, магнитное поле может создать ток. В 1831 году, примерно через 12 лет после открытия, что электрический ток создает магнитное поле, английский ученый Майкл Фарадей (1791–1862) и американский ученый Джозеф Генри (1797–1878) независимо друг от друга продемонстрировали, что магнитные поля могут создавать токи.Основной процесс генерации токов с помощью магнитных полей называется индукцией; этот процесс также называют магнитной индукцией, чтобы отличить его от индукционной зарядки, в которой используется электростатическая кулоновская сила.

Когда Фарадей открыл то, что сейчас называется законом индукции Фарадея, королева Виктория спросила его, как можно использовать электричество. «Мадам, — ответил он, — что хорошего в ребенке?» Сегодня токи, индуцированные магнитными полями, необходимы нашему технологическому обществу. Электрический генератор, который можно найти во всем, от автомобилей до велосипедов и атомных электростанций, использует магнетизм для генерации электрического тока.Другие устройства, которые используют магнетизм для индукции токов, включают в себя звукосниматели в электрогитарах, трансформаторы любого размера, определенные микрофоны, ворота безопасности аэропорта и механизмы демпфирования на чувствительных химических весах.

Один из экспериментов Фарадея для демонстрации магнитной индукции заключался в перемещении стержневого магнита через проволочную катушку и измерении результирующего электрического тока через проволоку. Схема этого эксперимента показана на рис. 20.33. Он обнаружил, что ток индуцируется только тогда, когда магнит движется относительно катушки.Когда магнит неподвижен по отношению к катушке, в катушке не индуцируется ток, как показано на рисунке 20.33. Кроме того, перемещение магнита в противоположном направлении (сравните рис. 20.33 с рис. 20.33) или изменение полярности магнита (сравните рис. 20.33 с рис. 20.33) приводит к возникновению тока в противоположном направлении.

Рис. 20.33 Движение магнита относительно катушки создает электрические токи, как показано. Такие же токи возникают, если катушку перемещать относительно магнита.Чем больше скорость, тем больше величина тока, и ток равен нулю, когда нет движения. Ток, возникающий при перемещении магнита вверх, имеет направление, противоположное направлению тока, возникающего при перемещении магнита вниз.

Виртуальная физика

Закон Фарадея

Попробуйте это моделирование, чтобы увидеть, как движение магнита создает ток в цепи. Лампочка загорается, чтобы показать, когда течет ток, а вольтметр показывает падение напряжения на лампочке.Попробуйте переместить магнит через четырехвитковую катушку и через двухвитковую катушку. Какая катушка производит более высокое напряжение при одинаковой скорости магнита?

Проверка захвата

Если северный полюс находится влево и магнит перемещается справа налево, при входе магнита в катушку создается положительное напряжение. Какое знаковое напряжение получится, если эксперимент повторить с южным полюсом слева?

  1. Знак напряжения изменится, потому что направление тока изменится при перемещении южного полюса магнита влево.
  2. Знак напряжения останется прежним, потому что направление тока не изменится при перемещении южного полюса магнита влево.
  3. Знак напряжения изменится, потому что величина протекающего тока изменится при перемещении южного полюса магнита влево.
  4. Знак напряжения останется прежним, потому что величина тока не изменится при перемещении южного полюса магнита влево.

Индуцированная электродвижущая сила

Если в катушке индуцируется ток, Фарадей рассуждал, что должно быть то, что он назвал электродвижущей силой , проталкивающей заряды через катушку. Эта интерпретация оказалась неверной; вместо этого внешний источник, выполняющий работу по перемещению магнита, добавляет энергию зарядам в катушке. Энергия, добавляемая на единицу заряда, измеряется в вольтах, поэтому электродвижущая сила на самом деле является потенциалом. К сожалению, название «электродвижущая сила» прижилось, а вместе с ним и возможность спутать его с реальной силой.По этой причине мы избегаем термина электродвижущая сила и просто используем сокращение emf , которое имеет математический символ ε.ε. ЭДС может быть определена как скорость, с которой энергия отбирается от источника на единицу тока, протекающего по цепи. Таким образом, ЭДС — это энергия на единицу заряда , добавленная источником, которая контрастирует с напряжением, которое представляет собой энергию на единицу заряда , высвобождаемую , когда заряды проходят через цепь.

Чтобы понять, почему в катушке возникает ЭДС из-за движущегося магнита, рассмотрим рисунок 20.34, на котором показан стержневой магнит, движущийся вниз относительно проволочной петли. Первоначально через петлю проходят семь силовых линий магнитного поля (см. Изображение слева). Поскольку магнит удаляется от катушки, только пять силовых линий магнитного поля проходят через петлю за короткое время ΔtΔt (см. Изображение справа). Таким образом, когда происходит изменение количества силовых линий магнитного поля, проходящих через область, определяемую проволочной петлей, в проволочной петле индуцируется ЭДС. Подобные эксперименты показывают, что наведенная ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного поля.Математически мы выражаем это как

ε∝ΔBΔt, ε∝ΔBΔt,

20,24

где ΔBΔB — изменение величины магнитного поля за время ΔtΔt, а A — площадь петли.

Рис. 20.34 Стержневой магнит перемещается вниз относительно проволочной петли, так что количество силовых линий магнитного поля, проходящих через петлю, со временем уменьшается. Это вызывает индукцию ЭДС в контуре, создающую электрический ток.

Обратите внимание, что силовые линии магнитного поля, лежащие в плоскости проволочной петли, на самом деле не проходят через петлю, как показано крайним левым витком на рисунке 20.35. На этом рисунке стрелка, выходящая из петли, представляет собой вектор, величина которого равна площади петли, а направление перпендикулярно плоскости петли. На рисунке 20.35 петля повернута от θ = 90 ° θ = 90 °. до θ = 0 °, θ = 0 ° вклад силовых линий магнитного поля в ЭДС увеличивается. Таким образом, для создания ЭДС в проволочной петле важна составляющая магнитного поля, которая находится на перпендикулярно плоскости петли, то есть Bcosθ.Bcosθ.

Это аналог паруса на ветру.Представьте, что проводящая петля — это парус, а магнитное поле — как ветер. Чтобы максимизировать силу ветра на парусе, парус ориентируют так, чтобы вектор его поверхности указывал в том же направлении, что и ветер, как в самой правой петле на рис. 20.35. Когда парус выровнен так, что его вектор поверхности перпендикулярен ветру, как в крайней левой петле на рис. 20.35, тогда ветер не оказывает силы на парус.

Таким образом, с учетом угла магнитного поля по отношению к площади, пропорциональность E∝ΔB / ΔtE∝ΔB / Δt становится равной

E∝ΔBcosθΔt.E∝ΔBcosθΔt.

20,25

Рис. 20.35 Магнитное поле лежит в плоскости крайней левой петли, поэтому в этом случае оно не может генерировать ЭДС. Когда петля поворачивается так, что угол магнитного поля с вектором, перпендикулярным области петли, увеличивается до 90 ° 90 ° (см. Крайнюю правую петлю), магнитное поле вносит максимальный вклад в ЭДС в петле. Точки показывают, где силовые линии магнитного поля пересекают плоскость, определяемую петлей.

Другой способ уменьшить количество силовых линий магнитного поля, проходящих через проводящую петлю на Рисунке 20.35 не для перемещения магнита, а для уменьшения размера петли. Эксперименты показывают, что изменение площади проводящей петли в стабильном магнитном поле вызывает в петле ЭДС. Таким образом, ЭДС, создаваемая в проводящей петле, пропорциональна скорости изменения произведения перпендикулярного магнитного поля и площади петли

. ε∝Δ [(Bcosθ) A] Δt, ε∝Δ [(Bcosθ) A] Δt,

20,26

, где BcosθBcosθ — перпендикулярное магнитное поле, а A — площадь контура.Продукт BAcosθBAcosθ очень важен. Оно пропорционально количеству силовых линий магнитного поля, которые проходят перпендикулярно через поверхность площадью A . Возвращаясь к нашей аналогии с парусом, он будет пропорционален силе ветра на парусе. Он называется магнитным потоком и обозначается как ΦΦ.

Φ = BAcosθΦ = BAcosθ

20,27

Единицей измерения магнитного потока является Вебер (Вб), то есть магнитное поле на единицу площади, или Т / м 2 . Вебер — это также вольт-секунда (Vs).

Индуцированная ЭДС фактически пропорциональна скорости изменения магнитного потока через проводящую петлю.

ε∝ΔΦΔtε∝ΔΦΔt

20,28

Наконец, для катушки, изготовленной из петель N , ЭДС в N раз сильнее, чем для одиночной петли. Таким образом, наведенная изменяющимся магнитным полем ЭДС в катушке из N петель составляет

ε∝NΔBcosθΔtA.ε∝NΔBcosθΔtA.

Последний вопрос, на который нужно ответить, прежде чем мы сможем преобразовать пропорциональность в уравнение: «В каком направлении течет ток?» Русский ученый Генрих Ленц (1804–1865) объяснил, что ток течет в том направлении, которое создает магнитное поле, которое пытается сохранить постоянный поток в контуре.Например, снова рассмотрим рисунок 20.34. Движение стержневого магнита приводит к уменьшению количества направленных вверх силовых линий магнитного поля, которые проходят через петлю. Следовательно, в контуре генерируется ЭДС, которая направляет ток в направлении, которое создает более направленные вверх силовые линии магнитного поля. Используя правило правой руки, мы видим, что этот ток должен течь в направлении, показанном на рисунке. Чтобы выразить тот факт, что наведенная ЭДС действует как противодействие изменению магнитного потока через проволочную петлю, в пропорциональность ε∝ΔΦ / Δt вводится знак минус.) внутри катушки, направленной влево. Это будет противодействовать увеличению магнитного потока, направленного вправо. Чтобы увидеть, в каком направлении должен течь ток, направьте большой палец правой руки в желаемом направлении магнитного поля B → катушка, B → катушка, и ток будет течь в направлении, указанном сгибанием ваших пальцев правой руки. Это показано изображением правой руки в верхнем ряду рисунка 20.36. Таким образом, ток должен течь в направлении, показанном на рисунке 4 (а).

На Рисунке 4 (b) направление, в котором движется магнит, изменено на обратное.В катушке направленное вправо магнитное поле B → magB → mag из-за движущегося магнита уменьшается. Закон Ленца гласит, что для противодействия этому уменьшению ЭДС будет управлять током, который создает дополнительное направленное вправо магнитное поле B → катушка B → катушка в катушке. Опять же, направьте большой палец правой руки в желаемом направлении магнитного поля, и ток будет течь в направлении, указанном сгибанием ваших пальцев правой руки (Рисунок 4 (b)).

Наконец, на Рисунке 4 (c) магнит перевернут, так что южный полюс находится ближе всего к катушке.Теперь магнитное поле B → magB → mag направлено на магнит, а не на катушку. Когда магнит приближается к катушке, он вызывает увеличение направленного влево магнитного поля в катушке. Закон Ленца гласит, что ЭДС, индуцированная в катушке, будет управлять током в направлении, которое создает магнитное поле, направленное вправо. Это будет противодействовать увеличению магнитного потока, направленного влево из-за магнита. Повторное использование правила правой руки, как показано на рисунке, показывает, что ток должен течь в направлении, показанном на рисунке 4 (c).

Рис. 20.36. Закон Ленца гласит, что ЭДС, индуцированная магнитным полем, будет управлять током, который сопротивляется изменению магнитного потока в цепи. Это показано на панелях (а) — (с) для различных ориентаций и скоростей магнита. Правые руки справа показывают, как применить правило правой руки, чтобы найти, в каком направлении наведенный ток течет вокруг катушки.

Виртуальная физика

Электромагнитная лаборатория Фарадея

Это моделирование предлагает несколько действий.А пока щелкните вкладку Pickup Coil, которая представляет собой стержневой магнит, который вы можете перемещать через катушку. Когда вы это сделаете, вы увидите, как электроны движутся в катушке, и загорится лампочка, или вольтметр покажет напряжение на резисторе. Обратите внимание, что вольтметр позволяет вам видеть знак напряжения при перемещении магнита. Вы также можете оставить стержневой магнит в покое и переместить катушку, хотя наблюдать за результатами сложнее.

Проверка захвата

Сориентируйте стержневой магнит так, чтобы северный полюс был направлен вправо, и поместите приемную катушку справа от стержневого магнита.Теперь переместите стержневой магнит к катушке и посмотрите, в каком направлении движутся электроны. Это такая же ситуация, как показано ниже. Ток при моделировании течет в том же направлении, что и показано ниже? Объясните, почему да или почему нет.
  1. Да, ток в моделировании течет, как показано, потому что направление тока противоположно направлению потока электронов.
  2. Нет, ток в моделировании течет в противоположном направлении, потому что направление тока совпадает с направлением потока электронов.

Watch Physics

Наведенный ток в проводе

В этом видео объясняется, как можно индуцировать ток в прямом проводе, перемещая его через магнитное поле. Лектор использует перекрестное произведение , тип векторного умножения. Не волнуйтесь, если вы не знакомы с этим, он в основном объединяет правило правой руки для определения силы, действующей на заряды в проводе, с уравнением F = qvBsinθ.F = qvBsinθ.

Проверка захвата

Какая ЭДС создается по прямому проводу 0.через однородное магнитное поле (0,30 Тл) ? Провод лежит в направлении ŷ . Кроме того, какой конец провода находится под более высоким потенциалом — пусть нижний конец провода находится под углом y = 0, а верхний конец — под углом y = 0,5 м)?

  1. 0,15 В и нижний конец провода будет иметь более высокий потенциал
  2. 0,15 В и на верхнем конце провода будет более высокий потенциал
  3. 0,075 В и нижний конец провода будет иметь более высокий потенциал
  4. 0.075 В и на верхнем конце провода будет более высокий потенциал
  5. .

Рабочий пример

ЭДС, индуцированная в проводящей катушке движущимся магнитом

Представьте, что магнитное поле проходит через катушку в направлении, указанном на рисунке 20.37. Диаметр катушки 2,0 см. Если магнитное поле изменится с 0,020 до 0,010 Тл за 34 с, каковы направление и величина индуцированного тока? Предположим, что катушка имеет сопротивление 0,1 Ом.

Рисунок 20.37 Катушка, через которую проходит магнитное поле B .

Стратегия

Используйте уравнение ε = −NΔΦ / Δtε = −NΔΦ / Δt, чтобы найти наведенную ЭДС в катушке, где Δt = 34sΔt = 34s. Подсчитав количество витков соленоида, мы находим, что у него 16 петель, поэтому N = 16.N = 16. Используйте уравнение Φ = BAcosθΦ = BAcosθ для расчета магнитного потока

Φ = BAcosθ = Bπ (d2) 2, Φ = BAcosθ = Bπ (d2) 2,

20,30

, где d — диаметр соленоида, а мы использовали cos0 ° = 1. cos0 ° = 1. Поскольку площадь соленоида не меняется, изменение магнитного потока через соленоид составляет

ΔΦ = ΔBπ (d2) 2.ΔΦ = ΔBπ (d2) 2.

20,31

Найдя ЭДС, мы можем использовать закон Ома, ε = IR, ε = IR, чтобы найти ток.

Наконец, закон Ленца гласит, что ток должен создавать магнитное поле, которое препятствует уменьшению приложенного магнитного поля. Таким образом, ток должен создавать магнитное поле справа.

Решение

Объединение уравнений ε = −NΔΦ / Δtε = −NΔΦ / Δt и Φ = BAcosθΦ = BAcosθ дает

ε = −NΔΦΔt = −NΔBπd24Δt.ε = −NΔΦΔt = −NΔBπd24Δt.

20,32

Решая закон Ома для тока и используя этот результат, получаем

I = εR = −NΔBπd24RΔt = −16 (−0,010T) π (0,020 м) 24 (0,10 Ом) (34 с) = 15 мкА.I = εR = −NΔBπd24RΔt = −16 (−0,010T) π (0,020 м) 24 (0,10 Ом) (34 с) = 15 мкА.

20.33

Закон Ленца гласит, что ток должен создавать магнитное поле справа. Таким образом, мы направляем большой палец правой руки вправо и сжимаем пальцы правой руки вокруг соленоида. Ток должен течь в том направлении, в котором указывают наши пальцы, поэтому он входит в левый конец соленоида и выходит на правом конце.

Обсуждение

Давайте посмотрим, имеет ли смысл знак минус в законе индукции Фарадея. Определите направление магнитного поля как положительное. Это означает, что изменение магнитного поля отрицательное, как мы обнаружили выше. Знак минус в законе индукции Фарадея отрицает отрицательное изменение магнитного поля, оставляя нам положительный ток. Следовательно, ток должен течь в направлении магнитного поля, что мы и обнаружили.

Теперь попробуйте определить положительное направление как направление, противоположное направлению магнитного поля, то есть положительное направление находится слева на рисунке 20.37. В этом случае вы обнаружите отрицательный ток. Но поскольку положительное направление находится влево, отрицательный ток должен течь вправо, что снова согласуется с тем, что мы обнаружили с помощью закона Ленца.

Рабочий пример

Магнитная индукция из-за изменения размера цепи

Схема, показанная на рисунке 20.38, состоит из U-образного провода с резистором, концы которого соединены скользящим токопроводящим стержнем. Магнитное поле, заполняющее область, ограниченную контуром, имеет постоянное значение 0.01 T. Если стержень тянут вправо со скоростью v = 0,50 м / с, v = 0,50 м / с, какой ток индуцируется в цепи и в каком направлении он течет?

Рисунок 20.38 Схема ползунка. Магнитное поле постоянно, и шток тянется вправо со скоростью v . Область изменения, заключенная в цепи, вызывает в цепи ЭДС.

Стратегия

Мы снова используем закон индукции Фарадея, E = −NΔΦΔt, E = −NΔΦΔt, хотя на этот раз магнитное поле остается постоянным и площадь, ограниченная контуром, изменяется.Схема состоит из одного контура, поэтому N = 1.N = 1. Скорость изменения площади ΔAΔt = vℓ.ΔAΔt = vℓ. Таким образом, скорость изменения магнитного потока составляет

ΔΦΔt = Δ (BAcosθ) Δt = BΔAΔt = Bvℓ, ΔΦΔt = Δ (BAcosθ) Δt = BΔAΔt = Bvℓ,

20,34

, где мы использовали тот факт, что угол θθ между вектором площади и магнитным полем равен 0 °. Зная ЭДС, мы можем найти ток, используя закон Ома. Чтобы найти направление тока, мы применяем закон Ленца.

Решение

Закон индукции Фарадея дает

E = −NΔΦΔt = −Bvℓ.E = −NΔΦΔt = −Bvℓ.

20,35

Решение закона Ома для тока и использование предыдущего результата для ЭДС дает

I = ER = −BvℓR = — (0,010T) (0,50 м / с) (0,10 м) 20Ω = 25 мкA I = ER = −BvℓR = — (0,010T) (0,50 м / с) (0,10 м) 20Ω = 25 мкА.

20,36

По мере скольжения стержня вправо магнитный поток, проходящий через контур, увеличивается. Закон Ленца говорит нам, что индуцированный ток создаст магнитное поле, которое будет противодействовать этому увеличению. Таким образом, магнитное поле, создаваемое индуцированным током, должно быть на странице.Сгибание петли пальцами правой руки по часовой стрелке заставляет большой палец правой руки указывать на страницу, что является желаемым направлением магнитного поля. Таким образом, ток должен течь по цепи по часовой стрелке.

Обсуждение

Сохраняется ли энергия в этой цепи? Внешний агент должен тянуть стержень с достаточной силой, чтобы просто уравновесить силу на проводе с током в магнитном поле — вспомните, что F = IℓBsinθ.F = IℓBsinθ. Скорость, с которой эта сила действует на стержень, должна уравновешиваться скоростью, с которой цепь рассеивает мощность.Используя F = IℓBsinθ, F = IℓBsinθ, сила, необходимая для протягивания проволоки с постоянной скоростью v , равна

. Fpull = IℓBsinθ = IℓB, Fpull = IℓBsinθ = IℓB,

20,37

, где мы использовали тот факт, что угол θθ между током и магнитным полем составляет 90 ° 0,90 °. Подставляя приведенное выше выражение для тока в это уравнение, получаем

Fpull = IℓB = −BvℓR (ℓB) = — B2vℓ2R. Fpull = IℓB = −BvℓR (ℓB) = — B2vℓ2R.

20,38

Сила, создаваемая агентом, тянущим стержень, равна Fpullv, или Fpullv, или

Потяните = Fpullv = −B2v2ℓ2R.Потяните = Fpullv = −B2v2ℓ2R.

20,39

Мощность, рассеиваемая схемой, составляет

Pdissipated = I2R = (- BvℓR) 2R = B2v2ℓ2R. Pdissipated = I2R = (- BvℓR) 2R = B2v2ℓ2R.

20,40

Таким образом, мы видим, что Ppull + Pdissipated = 0, Ppull + Pdissipated = 0, что означает, что мощность сохраняется в системе, состоящей из цепи и агента, который тянет стержень. Таким образом, в этой системе сохраняется энергия.

Испытание кабеля с использованием магнитной индукции высокого разрешения

С помощью этого метода тестирования поля магнитного рассеяния на поверхности кабеля обнаруживаются и отображаются с высоким разрешением.Данные измерений можно обработать и проиллюстрировать разными способами (которые будут показаны в следующих разделах). Поскольку магнитные поля следуют по пути с наименьшим сопротивлением, на наш взгляд, это нельзя назвать томографией, даже несмотря на то, что результаты изображений рассеянного поля часто отображаются в виде трехмерных фигур.

Магнитные поля обнаруживаются зондами с использованием эффекта Холла (названного в честь Эдвина Холла, 1879 г.). во время работы эти зонды генерируют напряжение, пропорциональное силе магнитного поля, в которое они помещены.24 — 60 датчиков Холла расположены по окружности кабеля и индивидуально подключены к мультиплексорному усилителю.

Несущий трос проверяется движущимся по нему измерительным устройством, а подъемный и тяговый тросы проходят через стационарное измерительное устройство. Первоначально напряжения, создаваемые датчиками Холла, измеряются и записываются с шагом 0,6 мм вдоль кабеля. Изображение поля рассеяния выполнено по оси кабеля.Изображение поверхности развернутого кабеля создается на основе данных, собранных по окружности кабеля. Числовые значения можно обрабатывать разными способами и подготавливать в виде изображений в серых тонах, изображений в ложных цветах или рельефных иллюстраций.

Пример 1: Несущий кабель диаметром 46 мм с изломом внешней проволоки.



Поле магнитного рассеяния в кабеле с разрывом провода и без него
— Поле рассеяния без разрыва проволоки
Поле рассеяния с разрывом проволоки
36 датчиков Холла по окружности кабеля (прибл.Боковое расстояние 4,3 мм), отрезок кабеля длиной 170 мм, размотанный:

На приведенном выше рисунке показано однородное магнитное поле рассеяния как в середине разрыва провода, так и на участке кабеля, на котором нет сломанных проводов. Поэтому возможно измерение потерь в поперечном сечении или калибровка измерения поперечного сечения. Поле видимого рассеяния позволяет измерять поперечное сечение, зная реальные условия, так что это больше не считается «слепым» измерением.Опыт покажет, до какой степени следует корректировать измерения в однородных полях рассеяния. Поля рассеяния в двух поперечных сечениях через несущий кабель, разница в двух полях соответствует поперечному сечению сломанного провода (1,7% от поперечного сечения кабеля).

Однако обнаружить и оценить внутренние повреждения сложнее. Как отличить внутренние изломы проволоки от сварных швов? Насколько хорошо можно обнаружить внутренние изломы проволоки, перекрытые внутренней или внешней коррозией?

В этой области пока нет большого опыта.Тем не менее, испытание воздушных кабелей в значительной степени зависит от опыта, поскольку испытательный прибор предоставляет информацию о состоянии только косвенно через магнитное поле рассеяния, создаваемое в кабеле. Однако следующие примеры показывают, что способность обнаруживать неисправности, вероятно, превосходит способность радиографического метода.

Пример 2: несущий кабель, диаметр 46 мм, с 4 внутренними разрывами провода. 36 датчиков Холла по окружности, отрезок кабеля 1.Длина 4 м, ширина трещины 1-3,5 мм (определяется гамма-рентгенографией; при небольшой ширине трещины поле рассеяния пропорционально расстоянию между концами проволоки трещины), доля поперечного сечения для обрыв провода — 0,92%.

Верхний рисунок: обычный магнитно-индуктивный тестовый сигнал Средний рисунок: обнаружение с высоким разрешением поля рассеяния, 5 внутренних разрывов проволоки (перпендикулярные линии) и градиент внешнего слоя (наклонная текстура).
Нижние рисунки: поперечное сечение кабеля с полем рассеяния и (где применимо) расчетное положение излома проволоки в центральном увеличении двух изломов проволоки.

Пример 3: несущий кабель, диаметр 60 мм, с 9 внутренними изломами проволоки.

Верхний рисунок: обычный магнитно-индуктивный тестовый сигнал
Средний рисунок: обнаружение поля рассеяния с высоким разрешением, 9 внутренних разрывов проволоки (вертикальные линии).
Нижняя фигура: увеличенное сечение 400-800 мм верхней фигуры, в ложных цветах
40 датчиков Холла по окружности, отрезок кабеля длиной 2,4 м, доля поперечного сечения на обрыв провода: 0,88%:

Пример 4: многожильный кабель диаметром 33 мм с 7 разрывами жил. В этом случае следует задать вопрос: сломан ли один и тот же неисправный провод или задействованы разные провода? Оценивая безопасность кабеля, можно сделать разные выводы.32 датчика Холла по окружности, сечение кабеля длиной 4,798, доля сечения на обрыв провода: 1,26%:

Верхний рисунок слева: поле рассеяния в поперечном сечении кабеля, хорошо видна жила с изломом провода. Проиллюстрировано расчетное положение излома проволоки.
Нижний рисунок справа: увеличенное сечение 600–1300 мм верхнего рисунка, показывающее 5 внутренних разрывов проволоки, которые распределены по 3 нитям, а затем по разным проволокам.

Оценка одного тестового щупа (одна линия данных) позволяет непрерывно измерять длину кабеля.

Пример 5: несущий кабель, диаметр 47 мм, с внешней коррозией 36 датчиков Холла по окружности, отрезок кабеля длиной 3 м с локальной коррозией. Возникает вопрос: скрывают ли внешние признаки коррозии возможные признаки перелома проволоки?

Отображение поля рассеяния с высоким разрешением (внизу справа) и плоское распределение полей магнитного рассеяния на рисунке слева указывают на отсутствие разрывов проводов.

Приготовление пищи на магнитной индукции | Блог Apex Magnets

Вы, наверное, видели рекламные ролики об индукционной посуде, где кто-то держит сковороду, разрезанную пополам для демонстрации. Рекламодатель стоит там и готовит бекон на полусфере, держа незащищенную руку на поверхности рядом с ней. Если бы они использовали обычную печь, они бы точно обожгли руку. Итак, как это возможно? Обычно мы готовим пищу, используя теплопроводность, которая использует тепло, выделяемое пламенем, или электричество, в зависимости от того, какая у вас плита.Однако индукционная готовка использует магнетизм для более быстрых и энергоэффективных результатов.

Как работает магнитная индукция?

Итак, допустим, вы кипятили воду в индукционной плите. Под горшком катушка медной проволоки. Когда через катушку проходит переменный электрический ток, он создает колеблющееся магнитное поле. Этот процесс индуцирует магнитный поток, который многократно намагничивает горшок. Намагничивание кастрюли выделяет тепло из-за сопротивления кастрюли.Чтобы этот метод работал, горшок должен содержать ферромагнитный материал, например чугун. Если вы положите журнал или газету под кастрюлю с кипящей водой, как на картинке выше, бумага не пострадает, пока вода продолжает кипеть. Бумага не состоит из ферромагнитного металла, поэтому токи, которые проходят через нее из-за намагничивания, не влияют на нее. Однако они все еще могут дотянуться до кастрюли, чтобы вскипятить воду.

Приготовление пищи с помощью магнитной индукции — это процесс, основанный на электромагнетизме катушки Тесла, который более энергоэффективен, чем теплопроводность.Поскольку индукционный процесс не тратит впустую энергию на нагрев воздуха поблизости, он на 84 процента эффективен при передаче энергии. Приготовление пищи с теплопроводностью имеет около 74 процентов энергоэффективности. Несмотря на его эффективность, многие считают индукционное приготовление неудобным, поскольку оно подходит не для всех типов посуды. Для индукционного приготовления пищи необходимо использовать кастрюли и сковороды, содержащие ферромагнитный материал. Вы бы попробовали приготовление пищи с помощью магнитной индукции вместо газовой или электрической плиты?

Изображение Wtshymanski

Нанокатализатор Y3Fe5O12 для производства зеленого аммиака с использованием метода магнитной индукции

[1] С.Х. Ваджаргах, Х.Р. М. Хоссейни, З.А. Немати, Синтез нанокристаллического железо-иттриевого граната с помощью золь-гель процесса горения: влияние pH раствора-прекурсора, Матем. Sci. И англ. B 129 (2006) 211-215.

DOI: 10.1016 / j.mseb.2006.01.014

[2] Н.Спалдин, Магнитные материалы: основы и применение в устройствах, ISBN издательства Кембриджского университета 0521816319, 119, (2003).

[3] Р.Шайбуб, Н. Ибрагим, М. Абдулла и Ф. Абдулхаде, Физические свойства пленок железо-иттриевого граната, легированного эрбием, полученных золь-гель методом J. of Nanomat. 12, (2011) артикул 524903.

DOI: 10.1155 / 2012/524903

[4] Н.Насир, Н. Яхья, М. Кашиф, Х. Дауд, М.Н. Ахтар, Х. Заид, А. Шафи, Л.С. Тэн, Наблюдение кубической микроструктуры железо-стронциевого граната и железо-иттриевого граната, полученных с помощью золь-гель-технологии, J. of Nanosci. и Нанотех, 10 (2010).

DOI: 10.1166 / jnn.2011.2724

[5] Н.Яхья, Р. М. Аль-Хабаши, К. Козиол, Р. Д. Борковски, М. Ахтар, М. Кашиф и М. Хашим Морфология и магнитная характеристика алюминизамещенных наночастиц иттрий-железного граната, полученных с использованием золь-гелевой техники, J. of Nanosci. И Нанотех 11 (2011).

DOI: 10.1166 / jnn.2011.2723

[6] Ю.Ю. Сюй, X.F. Руи, Ю.Я. Фу, Х. Чжан, Магнитные свойства нанопроволок a-Fe2O3 Chem. Phy. Lett. 410 (2005) 36-38.

[7] Z.Аббас, Р.М. Аль-Хабаши, К. Халид, М. Маароф, Наночастицы феррита граната (Y3Fe5O12), полученные с помощью метода модифицированного обычного смешивания оксидов (MCMO), Европейский журнал научных исследований, ISSN 1450-216X, 36 (2) (2009) 154-160.

DOI: 10.4028 / www.scientific.net / jnanor.29.59

[8] Н.Яхья, П. Пуспитасари, К. Козиол, Г. Павия, Глава 17: Синтез аммиака, углеродные и оксидные наноструктуры, Springer, (2010).

[9] В.Р. Кафарена, Т. Огасавара, М. С. Пинхо, Дж. Л. Капитанео, Нанопорошок самарий-железного граната, полученный совместным осаждением, Latin American Applied Research, 36 (2000) 136-140.

[10] Р.Y. Hong, YJ Wu, B. Feng, QD Di, HZ Li, B. Xi, YZ Heng, DG Wei, Микроволновый синтез и характеристика наночастиц двузамещенного иттриевого граната J. Магнетизм и магнитные материалы 321 (8) (2009) 1106-1110.

DOI: 10.1016 / j.jmmm.2008.11.009

[11] Э.П. Саджита, В. Прасад, С. В. Субрананьям, С. Это, К. Такай, Т. Эноки, Синтез и характеристики наночастиц железа в углеродной матрице наряду с каталитической графитизацией аморфного углерода Carbon 42 (2004) 2815-2825.

DOI: 10.1016 / j.carbon.2004.06.027

[12] М.Ван, Дж. Ван, К. Сан, Исследования связи между составом термочувствительного феррита MnZn и температурой Кюри J. Mater. Sci. Tech. 16 (2) (2010) 209-210.

[13] Дж. Перниконе, Ф. Ферреро, З. Розетти, Л. Форни, П. Кантон, П. Ринелло, Дж. Фагерацци, М. Синьорот, Дж. Пинна, Вюстит как новый прекурсор для промышленного катализатора синтеза аммиака, Прикладной катализ A: General 251 (2003) 121-129.

[14] Информация на www. Ёмиури. co. jp / edu / chuo / dy / исследования / 201008.htm.

[15] П.В. Аткинс, Т. П. Ламберт, Влияние магнитного поля на химические реакции, доступно: http: / pubs.rsc. org, DOI: 10. 1039 / PR9757200067.

Измерение толщины покрытия | Ресурсы

Как видно из выпусков: Canadian Finishing & Coating Mfg. Industrial Paint & Powder Magazine; Обработка металлов — Руководство по органической отделке

Измерение толщины покрытия
Дэвид Бимиш, DeFelsko Corporation

Толщина покрытия — важная переменная, которая играет роль в качестве продукта, контроле процесса и контроле затрат.Толщину пленки можно измерить с помощью множества различных инструментов. Понимание оборудования, доступного для измерения толщины пленки, и того, как его использовать, полезно для каждой операции нанесения покрытия.

Вопросы, которые определяют, какой метод лучше всего подходит для данного измерения покрытия, включают тип покрытия, материал подложки, диапазон толщины покрытия, размер и форму детали, а также стоимость оборудования. Обычно используемые методы измерения для отвержденных органических пленок включают неразрушающие методы измерения сухой пленки, такие как магнитные, вихретоковые, ультразвуковые или микрометрические измерения, а также методы разрушающей сухой пленки, такие как измерение поперечного сечения или гравиметрическое (массовое) измерение.Также доступны методы для порошковых и жидких покрытий, позволяющие измерить пленку до ее отверждения.

ДАТЧИКИ ДЛЯ ТОЛЩИНЫ МАГНИТНОЙ ПЛЕНКИ

Датчики с магнитной пленкой используются для неразрушающего измерения толщины немагнитного покрытия на подложках из железа. Таким образом измеряется большинство покрытий на стали и чугуне. Магнитные манометры используют один из двух принципов работы: магнитная тяга или магнитная / электромагнитная индукция.

Магнитный отрыв

Магнитный отрывной манометр использует постоянный магнит, калиброванную пружину и градуированную шкалу.Притяжение между магнитом и магнитной сталью сближает их. По мере того, как толщина разделяющего их покрытия увеличивается, становится легче вытащить магнит. Толщина покрытия определяется путем измерения силы отрыва. Более тонкие покрытия будут иметь более сильное магнитное притяжение, тогда как более толстые пленки будут иметь сравнительно меньшее магнитное притяжение. Тестирование с помощью магнитных датчиков чувствительно к шероховатости поверхности, кривизне, толщине подложки и составу металлического сплава.

Магнитные манометры прочны, просты, недороги, портативны и обычно не требуют калибровочной регулировки.Они являются хорошей и недорогой альтернативой в ситуациях, когда для обеспечения качества требуется всего несколько показаний во время производства.

Измерительные щупы обычно представляют собой модели карандашного типа или модели со шкалой отката. В моделях карандашного типа (PosiPen, показанный на рис. 1) используется магнит, который прикреплен к винтовой пружине, которая работает перпендикулярно поверхности с покрытием. Большинство тяговых манометров карандашного типа имеют большие магниты и предназначены для работы только в одном или двух положениях, которые частично компенсируют силу тяжести. Доступна более точная версия, которая имеет крошечный и точный магнит для измерения на небольших, горячих или труднодоступных поверхностях.Тройной индикатор обеспечивает точные измерения, когда датчик направлен вниз, вверх или горизонтально с допуском ± 10%.

Рис. 1. Магнитный толщиномер карандашного типа.

Модели шкалы отката (PosiTest, показанный на рис. 2) являются наиболее распространенной формой магнитных манометров. Магнит прикреплен к одному концу шарнирного уравновешенного рычага и соединен с калиброванной спиралью. Вращая циферблат пальцем, пружина увеличивает силу, действующую на магнит, и оттягивает его от поверхности.Эти манометры просты в использовании и оснащены сбалансированным рычагом, который позволяет им работать в любом положении, независимо от силы тяжести. Они безопасны во взрывоопасных средах и обычно используются подрядчиками по окраске и небольшими операциями по нанесению порошковых покрытий. Типичный допуск составляет ± 5%.

Рис. 2. Магнитный толщиномер с откатной шкалой.
Магнитная и электромагнитная индукция

В приборах магнитной индукции в качестве источника магнитного поля используется постоянный магнит.Генератор на эффекте Холла или магниторезистор используется для измерения плотности магнитного потока на полюсе магнита. В приборах электромагнитной индукции используется переменное магнитное поле. Мягкий ферромагнитный стержень, намотанный на катушку из тонкой проволоки, используется для создания магнитного поля. Вторая катушка с проволокой используется для обнаружения изменений магнитного потока.

Эти электронные приборы измеряют изменение плотности магнитного потока на поверхности магнитного зонда, когда он приближается к стальной поверхности. Величина плотности потока на поверхности зонда напрямую связана с расстоянием от стальной подложки.Путем измерения плотности потока можно определить толщину покрытия.

Рис. 3. Электронные магнитоиндукционные толщиномеры.

Электронные магнитные манометры (например, PosiTector 6000 F Series, PosiTest DFT Ferrous) бывают разных форм и размеров. Они обычно используют зонд постоянного давления для получения согласованных показаний, на которые не влияют разные операторы. Показания отображаются на жидкокристаллическом дисплее (LCD). У них могут быть опции для сохранения результатов измерений, выполнения мгновенного анализа показаний и вывода результатов на принтер или компьютер для дальнейшего изучения.Типичный допуск составляет ± 1%.

Для получения наиболее точных результатов необходимо тщательно соблюдать инструкции производителя. Стандартные методы испытаний доступны в ASTM D 1186, D 7091-05, ISO 2178 и ISO 2808.

Вихретоковый ток

Вихретоковые методы используются для неразрушающего измерения толщины непроводящих покрытий на подложках из цветных металлов. Катушка из тонкой проволоки, проводящая высокочастотный переменный ток (выше 1 МГц), используется для создания переменного магнитного поля на поверхности зонда прибора.Когда зонд приближается к проводящей поверхности, переменное магнитное поле создает вихревые токи на поверхности. Характеристики подложки и расстояние от датчика до подложки (толщина покрытия) влияют на величину вихревых токов. Вихревые токи создают собственное противоположное электромагнитное поле, которое может восприниматься возбуждающей катушкой или второй соседней катушкой.

Вихретоковые измерители толщины покрытия (например, серия PosiTector 6000 N) выглядят и работают как электронные магнитные манометры.Они используются для измерения толщины покрытия на всех цветных металлах. Как и в магнитоэлектронных датчиках, они обычно используют зонд постоянного давления и отображают результаты на ЖК-дисплее. Они также могут иметь опции для сохранения результатов измерений или выполнения мгновенного анализа показаний и вывода на принтер или компьютер для дальнейшего изучения. Типичный допуск составляет ± 1%. Тестирование чувствительно к шероховатости поверхности, кривизне, толщине подложки, типу металлической подложки и расстоянию от края.

Стандартные методы применения и выполнения этого теста доступны в ASTM B 244, ASTM D 1400, D 7091-05 и ISO 2360.

В настоящее время датчики обычно объединяют в себе принципы магнитных и вихретоковых измерений (например, PosiTector 6000 FN, PosiTest DFT Combo). Некоторые упрощают задачу измерения большинства покрытий на любом металле за счет автоматического переключения с одного принципа работы на другой в зависимости от подложки. Эти комбинированные устройства популярны среди маляров и мастеров порошкового покрытия.

ULTRASONIC

Ультразвуковой эхо-импульсный метод ультразвуковых датчиков (например,грамм. PosiTector 200) используется для измерения толщины покрытий на неметаллических подложках (пластик, дерево и т. Д.) Без повреждения покрытия.

Рис. 4. Ультразвуковой датчик позволяет измерять толщину покрытий на неметаллических подложках.

Зонд прибора содержит ультразвуковой преобразователь, который посылает импульс через покрытие. Импульс отражается от подложки к преобразователю и преобразуется в высокочастотный электрический сигнал. Форма эхо-сигнала оцифровывается и анализируется для определения толщины покрытия.В некоторых случаях можно измерить отдельные слои в многослойной системе.

Типичный допуск для этого устройства составляет ± 3%. Стандартные методы применения и проведения этого теста доступны в ASTM D 6132.

МИКРОМЕТР

Иногда для проверки толщины покрытия используются микрометры. Их преимущество заключается в измерении любой комбинации покрытия / подложки, но недостатком является необходимость доступа к голой подложке. Требование касаться как поверхности покрытия, так и нижней стороны подложки может быть ограничивающим, и они часто недостаточно чувствительны для измерения тонких покрытий.

Необходимо провести два измерения: одно с нанесенным покрытием, а другое — без покрытия. Разница между двумя показаниями, изменение высоты, принимается за толщину покрытия. На шероховатых поверхностях микрометрами измеряют толщину покрытия выше наивысшего пика.

РАЗРУШАЮЩИЕ ИСПЫТАНИЯ

Один из методов разрушения — разрезать покрытую деталь в поперечном сечении и измерить толщину пленки, просматривая разрез под микроскопом. В другом методе поперечного сечения используется масштабированный микроскоп для просмотра геометрического разреза через покрытие из сухой пленки.С помощью специального режущего инструмента сделайте небольшую точную V-образную канавку через покрытие в основу. Доступны измерительные приборы, укомплектованные режущими наконечниками и масштабируемой лупой с подсветкой.

Хотя принципы этого разрушающего метода легко понять, существуют возможности для погрешности измерения. Подготовка образца и интерпретация результатов требуют умения. Настройка измерительной сетки на неровный или нечеткий интерфейс может привести к неточности, особенно между разными операторами.Этот метод используется, когда недоступны недорогие неразрушающие методы, или как способ подтверждения неразрушающих результатов. ASTM D 4138 описывает стандартный метод для этой системы измерения.

GRAVIMETRIC

Путем измерения массы и площади покрытия можно определить толщину. Самый простой метод — взвесить деталь до и после нанесения покрытия. После определения массы и площади толщина рассчитывается по следующему уравнению:

, где T — толщина в микрометрах, m — масса покрытия в миллиграммах, A — испытанная площадь в квадратных сантиметрах, а d — плотность в граммах на кубический сантиметр.

Трудно связать массу покрытия с толщиной, когда основа шероховатая или покрытие неровное. Лаборатории лучше всего оснащены для того, чтобы справиться с этим трудоемким и зачастую разрушительным методом.

ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕД ОТВЕРЖДЕНИЕМ

Измерители толщины мокрой пленки помогают определить, сколько материала наносить мокрым способом для достижения заданной толщины сухой пленки при условии, что известен процент твердых веществ по объему. Они измеряют все типы влажных органических покрытий, таких как краски, лаки и лаки, на плоских или изогнутых гладких поверхностях.

Измерение толщины влажной пленки во время нанесения указывает на необходимость немедленной коррекции и регулировки аппликатором. Коррекция пленки после ее высыхания или химического отверждения требует дорогостоящего дополнительного рабочего времени, может привести к загрязнению пленки и может вызвать проблемы с адгезией и целостностью системы покрытия.

Уравнения для определения правильной толщины мокрой пленки (WFT), как с разбавителем, так и без него, следующие:

Без разбавителя:

С разбавителем:

Мокрая пленка чаще всего измеряется с помощью гребенки для мокрой пленки или колесо.Гребень для влажной пленки представляет собой плоскую пластину из алюминия, пластика или нержавеющей стали с калиброванными выемками по краям каждой стороны. Измерительный прибор плотно укладывают на измеряемую поверхность сразу после нанесения покрытия, а затем снимают. Толщина мокрой пленки находится между самой высокой выемкой с покрытием и следующей выемкой без покрытия. Измерения с надрезом не являются ни точными, ни чувствительными, но они полезны для определения приблизительной толщины влажной пленки покрытий на изделиях, размер и форма которых не позволяют использовать более точные методы.(ASTM D1212).

Измеритель следует использовать на гладких поверхностях, без неровностей, и использовать по длине, а не по ширине изогнутых поверхностей. Использование мокропленочного манометра на быстросохнущих покрытиях приведет к неточным измерениям. ASTM D4414 описывает стандартный метод измерения толщины влажной пленки с помощью насечных щупов.

В колесе с мокрой пленкой (эксцентриковый ролик) используются три диска. Датчик раскатывают во влажной пленке до тех пор, пока центральный диск не коснется влажной пленки. Точка соприкосновения обеспечивает толщину мокрой пленки.Порошковые покрытия можно измерить до отверждения с помощью простой ручной гребенки или ультразвукового датчика. Гребенка для неотвержденной порошковой пленки работает так же, как и датчик мокрой пленки. Гребень протягивается через порошковую пленку, и толщина лежит между зубом с самым высоким номером, который оставил отметку и на котором налипает порошок, и следующим наивысшим зубом, который не оставил следов и не имеет налипшего порошка. Эти датчики относительно недорогие с точностью ± 5 мм. Они подходят только в качестве ориентира, поскольку затвердевшая пленка может измениться после растекания.Следы, оставленные датчиком, могут повлиять на характеристики застывшей пленки.

Ультразвуковое устройство можно использовать неразрушающим методом на неотвержденном порошке на гладких металлических поверхностях для прогнозирования толщины отвержденной пленки. Зонд располагается на небольшом расстоянии от измеряемой поверхности, и показания отображаются на ЖК-дисплее устройства. Погрешность измерения составляет ± 5 мм.

СТАНДАРТЫ ТОЛЩИНЫ

Толщиномеры покрытия откалиброваны в соответствии с известными стандартами толщины.Существует множество источников эталонов толщины, но лучше убедиться, что они прослеживаются до национального измерительного института, такого как NIST (Национальный институт стандартов и технологий). Также важно убедиться, что эталоны как минимум в четыре раза точнее, чем калибр, который они будут использовать для калибровки. Регулярная проверка соответствия этим стандартам подтверждает правильность работы манометра. Если показания не соответствуют характеристикам точности манометра, манометр необходимо отрегулировать или отремонтировать, а затем снова откалибровать.

РЕЗЮМЕ

Толщина пленки в покрытиях может иметь большое влияние на стоимость и качество. Измерение толщины пленки должно быть обычным делом для всех нанесения покрытий. Выбор правильного датчика зависит от диапазона толщины покрытия, формы и типа подложки, стоимости датчика и того, насколько важно получить точное измерение.

ДЭВИД БИМИШ (1955-2019), бывший президент DeFelsko Corporation, нью-йоркского производителя портативных инструментов для испытания покрытий, продаваемых по всему миру.У него была степень в области гражданского строительства и более 25 лет опыта в разработке, производстве и маркетинге этих испытательных приборов в различных международных отраслях, включая промышленную окраску, контроль качества и производство.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *