2 Некоторые вопросы физики магнитных явлений

2.1 Магнитное поле и его характеристики

Электромагнитное поле – это физическое поле, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными объектами (частицами). Электромагнитное поле представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей – электрического и магнитного.

При проведении магнитного неразрушающего контроля КО подвергается воздействию магнитных полей. Источниками магнитных полей могут быть проводники с током, частицы или тела, обладающие магнитным моментом (магнитные частицы), а также движущиеся электрические заряженные объекты. Магнитное поле возникает при изменении во времени электрического поля.

Наличие магнитного поля в пространстве может быть обнаружено по его силовому действию на магнитную стрелку, перемещаемый пробный электрический заряд или на проводник с током при соответствующем его расположении.

Если вблизи полюсов постоянного магнита расположить магнитную стрелку, то она установится по направлению силовых линий. Тот полюс магнита, к которому магнитная стрелка обращена северным концом, принято называть южным (Ю или S), противоположный полюс – северным (С или N). Силовые линии направлены от северного полюса N к южному S снаружи магнита и от южного полюса S к северному N – внутри магнита (рис. 2.1). Постоянные магниты притягиваются разноименными полюсами и отталкиваются одноименными. Важно также отметить, что по отдельности магнитные полюсы существовать не могут. Силовые линии всегда направлены от одного полюса магнита к другому и не пересекаются. При этом силовые линии в различных участках проводятся с различной плотностью и имеют различное направление в разных точках. Наибольшая интенсивность поля наблюдается на торцевых поверхностях магнита, а наименьшая – в средней части. С увеличением расстояния от магнита интенсивность поля быстро уменьшается.

Рис. 2.1 Схема магнитного поля постоянного магнита:

N и S – полюсы постоянного магнита; 1 – магнитная стрелка компаса

Е

Рис. 2.2 Силы, действующие между проводниками при различном (а) и одинаковом (б) направлениях

электрического тока

а)

б)

сли по проводнику пропустить ток, то вокруг него образуется магнитное поле, которое можно обнаружить по силам, действующим, например, на другой проводник с током. Возьмем два проводника и укрепим их для удобства вертикально на некотором расстоянии друг от друга. Если концы проводников соединить между собой так, как это показано на рис. 2.2, а, и подсоединить к источнику постоянного тока, то в них потекут токи противоположного направления, и окажется, что провода ощутимо отталкиваются друг от друга. Если же соединить их, как показано на рис. 2.2, б, и токи в них потекут в одну сторону – проводники будут притягиваться. Эти силы называются электродинамическими, или магнитными.

Магнитное поле может меняться от точки к точке. Следует различать источники поля и объекты, на которое это поле воздействует. Магнитные поля, которые изображаются магнитными силовыми линиями, имеющими в различных точках разное направление, проведенными с различной густотой, называются неоднородными.

Примером неоднородного поля является поле вокруг постоянного магнита (см. рис. 2.1). Магнитные поля, возникающие вокруг деталей, проводников с токами, также являются неоднородными. При использовании полей значительной неоднородности снижается надежность магнитного контроля. Магнитные поля, которые изображают прямыми параллельными линиями, проведенными с одинаковой густотой, называются однородными. Примером однородного поля является поле в средней части межполюсного пространства электромагнита с плоскопараллельными полюсными наконечниками. Для количественного описания магнитного поля используется векторная величина Н, которая называется напряженностью магнитного поля.

Напряженность магнитного поля (Н) – векторная величина, характеризующая интенсивность (силу) магнитного поля. Она направлена по касательной к силовым линиям. Напряженность поля не зависит от свойств среды. Она учитывает только влияние на интенсивность поля токов, расположение магнитов и проводников с токами. Напряженность магнитного поля в однородной среде совпадает по направлению с вектором магнитной индукции. Напряженность связана с магнитной индукцией соотношением

В = μ₀(Н + J),

где μ₀ = 4π·10^–7 (Гн/м) – магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума);

J – вектор намагниченности среды.

Для изотропного материала численное значение напряженности магнитного поля Н определяется по формуле

Н = В/μ₀μ,

где μ = μ_а/μ₀ – относительная магнитная проницаемость, показывающая, во сколько раз магнитная индукция в данной среде больше, чем в вакууме;

μ_а – абсолютная магнитная проницаемость, показывающая способность материала намагничиваться.

В

Н

Н_y

Н_z

Н_x

ектор Н можно разложить на две составляющие: нормальную H_y, перпендикулярную поверхности КО, и тангенциальную (касательную) H_x, параллельную проверяемой поверхности КО (рис. 2.3). Соотношение этих составляющих, как будет показано ниже, влияет на чувствительность МП контроля.

Е

Рис. 2.3 Компоненты

вектора H

в прямоугольной

системе координат

диницы измерения напряженности магнитного поля в системе СИ: амперы на метр (А/М) или амперы на сантиметр (А/см).

Намагниченность (J) – векторная величина, характеризующая меру намагничивания ферромагнитного тела и равная магнитному моменту М единицы объема рассматриваемого тела. Следует различать слова «намагничивание» и «намагниченность». Под «намагничиванием» подразумевают процесс увеличения магнитного момента тела или образца, а под «намагниченностью» – состояние тела (образца), характеризуемое вектором J. Для однородно намагниченного образца с объемом V вектор намагниченности имеет величину

J = М/V.

В системе единиц СИ намагниченность измеряется в тех же единицах, что и напряженность, т. е. в амперах на метр (А/м).

Намагниченность J зависит от напряженности магнитного поля Н. Между напряженностью поля Н и намагниченностью вещества J существует прямая пропорциональность:

J = 4πχН,

где χ – магнитная восприимчивость, характеризующая физические свойства материала.

В зависимости от величины и знака χ (при комнатной температуре) различают три типа магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. В табл. 2.1 приведены основные типы магнетиков (существуют еще, например, антиферромагнетики, ферримагнетики и др.) и основные примеры веществ, относящихся к тому или иному типу.

Таблица 2.1

Типы магнетиков

Магнетик	Значение магнитной восприимчивости	Примеры веществ	Взаимодействие с полем
Диамагнетик	–10–5	Водород, азот, инертные газы, золото, ртуть, кремний, фосфор, дерево, мрамор, вода и др.	Слабое
Парамагнетик	10–2–10–5	Кислород, литий, олово, алюминий, натрий, платина, калий, молибден, цезий, рубидий, осмий, вольфрам, цирконий и др.	Слабое
Ферромагнетик	10–105	Железо, никель, кобальт, редкоземельные металлы, тербий, гадолиний, тулий, диспрозий, эрбий и их сплавы и соединения	Сильное

Учитывая, что магнитные методы применяют для контроля деталей из ферромагнитных веществ (материалов), тем не менее кратко охарактеризуем диамагнетики и парамагнетики.

Диамагнетизм проявляется во всех веществах независимо от их состояния (газообразное, жидкое, твердое), но чаще всего диамагнитные явления перекрываются более сильными (парамагнетизмом или ферромагнетизмом).

Диамагнетик во внешнем магнитном поле намагничивается противоположно полю. В однородном магнитном поле диамагнетик стремится занять положение, перпендикулярное направлению магнитного поля, а в неоднородном поле выталкивается из него. Диамагнетизмом обладают сверхпроводники.

Парамагнетизм присущ всем веществам в газообразном, жидком и твердом состояниях, имеющим нескомпенсированный магнитный момент атомов. При отсутствии внешнего поля магнитные моменты хаотически разориентированы, при наложении поля они ориентируются по его направлению и парамагнетик приобретает намагниченность. При комнатных температурах парамагнитные вещества невозможно довести до состояния магнитного насыщения, поскольку тепловое движение атомов разориентирует магнитные моменты по направлению поля.

Для ферромагнитных материалов χ гораздо больше нуля и сложным образом зависит от напряженности поля, температуры, давления и других факторов.

Намагниченность J можно рассматривать как добавочное (собственное) поле, возникающее при суммарном действии магнитных моментов областей самопроизвольного намагничивания. Намагничивающее (внешнее) поле, создаваемое в ферромагнитном материале или в замкнутом кольцевом образце из ферромагнитного материала посредством тороидальной катушки, через которую проходит электрический ток, и добавочное (собственное) поле, возникающее в этом материале при суммарном действии магнитных моментов областей самопроизвольного намагничивания, дают результирующее поле В, называемое магнитной индукцией.

Магнитная индукция (В) – векторная величина, характеризующая магнитное поле в веществе. За направление вектора В принимается направление силы, действующей на северный полюс магнитной стрелки. Если некоторое тело поместить в магнитное поле, например созданное находящимся рядом проводником с током (макроток), то под действием этого поля микроскопические токи атомов тела повернутся и создадут в теле дополнительное магнитное поле. Магнитная индукция будет определяться суперпозицией этих полей. Следовательно, вектор магнитной индукции В характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое макро- и микротоками. Другими словами, при намагничивании индукция результирующего поля равна сумме индукции внешнего поля и индукции молекулярных токов. Если тело будет изготовлено из другого материала, то величина индукции, как правило, будет другой. Магнитная индукция определяется отношением максимального вращающего момента М_max, действующего на контур с током в магнитном поле, к магнитному моменту этого контура р_m:

В = М_max/р_m.

Единица измерения магнитной индукции в системе СИ – Тесла (Тл).

При рассмотрении магнитного поля пользуются понятиями магнитный поток Ф и намагничивающая (магнитодвижущая) сила F.

Магнитный поток (Ф) – скалярная величина, которая определяется числом силовых линий магнитной индукции В, проходящих через поперечное сечение магнитопровода или любую плоскую поверхность с площадью S. В общем случае, если силовые линии пересекают плоскую поверхность с площадью S под углом α, то магнитный поток равен:

Ф = ВSсоsα,

где В – магнитная индукция, Тл;

S – площадь поверхности, которую пронизывают линии магнитной индукции, м²;

α – угол между вектором магнитной индукции и нормалью к этой поверхности.

Единица измерения магнитного потока Ф в системе СИ – Вебер (Вб) (равна Тесла на метр квадратный (1 Вб = 1 Тлм²)).

Линии магнитной индукции не прерываются на границе сред. Они всегда замкнуты независимо от того, через какое вещество они проходят, при этом магнитный поток целиком переходит из одной среды в другую. На рис. 2.4 показана часть силовых линий, проходящих воздушный зазор между полюсами магнитопровода площадью S.

Рис. 2.4 Определение магнитного потока

Если силовые линии магнитной индукции В пересекают поверхность с площадью S под прямым углом, то магнитный поток равен

Ф = ВS.

Отсюда В = Ф/S, т. е. магнитная индукция численно представляет собой плотность магнитного потока.

По закону Ома для магнитной цепи величина магнитного потока Ф равна отношению магнитодвижущей силы (м.д.с.) F к магнитному сопротивлению R_м:

Ф = F/R_м.

В однородном поле для пути l, совпадающего по направлению с Н, получим:

F = Нl.

Намагничивающая сила – скалярная величина; измеряется в амперах (А).

Во многих руководствах по магнитному контролю размерность магнитных величин указана в абсолютной электромагнитной системе единиц СГСМ, в которой индукция В измеряется в гауссах (Гс), магнитный поток Ф в максвеллах (Мкс) и напряженность поля Н в эрстедах (Э).

Переход от системы единиц СГСМ к системе единиц СИ осуществляется при помощи следующих соотношений:

1 Мкс = 10^–8 Вб; 1 Гс = 10^–4 Т;

1 Э = 10³/4π А/м = 10/4π А/см.