Методичка по магнитному контролю. Руководство по разработке технологической карты по магнитопорошковому контролю, приведены тесты для подготовки к сдаче экзаменов по магнитному контролю
 Скачать 3.16 Mb.
|
|
По какой формуле определяют силу взаимодействия магнитных полюсов? Два одноименных полюса отталкиваются, а два разноименных полюса притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна количеству магнетизма, сосредоточенному в этих полюсах, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: 2 , Mm F k r 64 где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. Закон Кулона выражается так просто только в том случае, когда полюсы можно считать точечными, т. е. если расстояние между взаимодействующими полюсами велико по сравнению с размерами полюсных областей. В каких единицах измеряется количество магнетизма (магнитная масса, магнитный заряд)? Единицей измерения количества магнетизма в СИ является 2 2 Дж кг м В с А с А Можно ли изготовить магнит с двумя одноименными полюсами? Магнит может иметь несколько полюсов. Например, стержневой или полосовой магнит может иметь четыре полюса, расположенные как N – SS – N ( N – северный полюс, S – южный). Кроме того, один или несколько полюсов могут быть сосредоточены, а другие распределены в пространстве, и обнаружить это можно с помощью чувствительных приборов. Один же магнитный полюс (монополь) в природе не существует. Шар разрезали плоскостями, проходящими через его центр. Полученные объемные фигуры в виде пирамид, основаниями которых являются шаровые сегменты, по отдельности намагнитили так, что на шаровой поверхности оказался один полюс, а на вершине пирамиды – второй. Затем из этих намагниченных фрагментов составили шар. Будет ли в центре такого ферромагнитного шара находиться один полюс магнита, а на поверхности шара – второй? После составления шара из отдельных объемных секторов, содержащих два полюса, поверхность шара окажется полностью размагниченной, т. к. магнитные полюсы окажутся полностью скомпенсированными. Почему постоянные магниты рекомендуют хранить, складывая их в пары, разноименными полюсами друг к другу? Это позволяет более длительно сохранить остаточную намагниченность магнитов, т. к. для строгого выстраивания молекул внутри магнита необходимо создать замкнутую магнитную цепь. Поэтому при хранении магнитов их разноименные полюсы целесообразно еще замкнуть шунтами из магнито- мягкого материала. 65 Имеются два одинаковых стержня. Известно, что один из них – постоянный магнит, а другой изготовлен из магнитного материала. Как определить без вспомогательных средств (нити, магнитных опилок, магнитных измерительных приборов и т. д.), который из них магнит? Стержни можно расположить перпендикулярно друг к другу в виде буквы Т . Тогда, если они притягиваются, то магнитом будет тот, который является стойкой перпендикуляра ( , в противном случае – основанием. Последнее явление объясняется следующим. Максимум напряженности магнитного поля наблюдается у полюсов магнита. По мере приближения к середине магнита напряженность магнитного поля уменьшается, в самой же середине величина ее равна нулю. Поэтому если основанием перпендикуляра будет магнит, то стержни не притянутся. Если же основанием будет пластина, изготовленная из магнитного материала, то она притянется к полюсу магнита. Почему стрелка компаса располагается в направлении с севера на юг? Стрелка компаса является постоянным магнитом. Земля – это огромный магнит. Она также имеет северный и южный магнитные полюсы. Разноименные полюсы этих магнитов притягиваются друг к другу. Поэтому стрелка компаса (и любой подвижно установленный магнит) ориентируется с севера на юг. Магнитная стрелка указывает на магнитный полюс, а не на географический. Совпадают ли магнитные полюсы Земли с ее географическими полюсами? Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими полюсами. Южный магнитный полюс Земли расположен в северном полушарии, а северный полюс – в южном полушарии (рис. 1.56). Поэтому стрелка компаса своим северным полюсом указывает на север, а южным – на юг. Вертикальная плоскость, в которой располагается продольная ось магнитной стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана данной точки земной поверхности. Угол между географическим и магнитным меридианом данной местности называется магнитным склонением. Специалисты отмечают, что со времени своего открытия в 1831 г. северный магнитный полюс переместился на 2250 км. Около 50 лет назад южный магнитный полюс Земли был расположен в северном полушарии примерно под 74° северной широты и 100° западной долготы, а северный полюс – в южном полушарии под 60° южной широты и 143° восточной долготы. В настоящее время северный полюс находится на значительном расстоя- нии от северного географического полюса и мигрирует со скоростью от 10 до рекордных 55 км/год в 2019 г. 66 Рис. 1.56. Картина магнитного поля Земли Напряженность магнитного поля на экваторе Земли составляет около 0,27 А/см, а у полюсов – 0,53 А/см, в наших широтах – около 0,3 А/см. Если магнитную стрелку прикрепить к пробке, плавающей в сосуде с водой, то под действием магнитного поля Земли стрелка повернется и расположится вдоль магнитного меридиана, однако перемешаться в южном или северном направлении не будет. Если же недалеко от стрелки расположить полюс полосового магнита, то под действием поля магнита стрелка не только повернется в сторону магнита, но и начнет к нему двигаться. Почему? Магнитное поле Земли на отрезке, равном длине магнитной стрелки, почти однородно (напряженность постоянна по величине и направлению). Однородное поле действует на оба полюса стрелки равными, параллельными и противо- положно направленными силами, образующими пару сил. Такое поле, действуя на магнитную стрелку, может создать только вращающие моменты, но не может создать равнодействующей силы, отличной от нуля, т. е. не может вызвать ее поступательного перемещения (рис. 1.57). Вращающий момент пары сил определяется по формуле Flsin, где F – силы, действующие на полюсы (в однородном магнитном поле они равны по величине и противоположны по направлению). Поле постоянного магнита на расстояниях, равных длине стрелки, неоднородно (его напряженность у одного конца стрелки больше, чем у другого). 67 Рис. 1.57. Силы, действующие на магнитную стрелку в однородном магнитном поле: l – длина стрелки; угол между направлением стрелки и направлением поля. Сила, действующая на один полюс стрелки, больше силы, действующей на второй ее полюс. Равнодействующая сил уже не будет равна нулю. Поэтому поле постоянного магнита вызывает не только вращение стрелки, но и ее поступательное движение. Аналогично можно объяснить скопление магнитного порошка над трещинами при магнитопорошковом контроле и отсутствие перемещения частиц порошка к полюсам намагничивающего устройства. Полосовой магнит разрезали по нейтральному сечению, получив таким образом два одинаковых магнита. Будет ли сила притяжения одного такого магнита вдвое меньше силы притяжения исходного магнита? Нет, такой магнит будет притягивать предметы почти с такой же силой. Это обусловлено тем, что количество магнетизма полюса магнита изменилось незначительно, а действием второго его полюса можно пренебречь. Один из двух одинаковых ферромагнитных шариков поместили в слабое магнитное поле, а второй – в сильное. При этом во втором случае на него действовала меньшая сила, чем в первом. Объясните причину. Причина в том, что во втором случае магнитное поле более однородное, чем в первом. На шарике, находящемся в магнитном поле, вследствие индукции образуются два противоположных полюса – северный и южный. Если поле однородно, то силы, действующие на полюсы, одинаковые и направлены противоположно. Они способны только повернуть шарик, т. к. равно- действующая этих сил равна нулю. В неоднородном поле эти силы различны. Их равнодействующая уже не будет равна нулю. Парадокс состоит в том, что во втором случае магнитное поле оказалось более однородным, чем в первом. 68 Вблизи двух полосовых магнитов, которые расположены в одной плоскости и образуют друг с другом угол , находится ферромагнитный шарик (рис. 1.58). Если бы не было второго магнита, то первый действовал бы на шарик с силой 1 F , а если бы не было первого магнита, то второй действовал бы на шарик с силой 2 F . Будет ли сила F, с которой действуют на шарик оба магнита, равна геометрической сумме сил 1 F и 2 F ? Нет. Когда шарик находится вблизи двух магнитов, он намагничивается сильнее, чем каждым из магнитов в отдельности. Поэтому сила, действующая на шарик со стороны каждого магнита «в связке», становится больше сил 1 F и 2 F . Следовательно, сила F будет больше геометрической суммы сил 1 F и 2 F (см. рис. 1.58). Рис. 1.58. Силы, действующие на ферромагнитный шарик вблизи двух полосовых магнитов Два одинаковых ферромагнитных стержня расположены на широте Могилева в плоскости магнитного меридиана: один – горизонтально, другой – вертикально. Через некоторое время они намагничиваются под действием поля Земли. Какой из стержней намагнитится сильнее? На каком конце вертикального стержня возникнет северный полюс и на каком южный? Сильнее намагнитится вертикальный стержень, т. к. вертикальная состав- ляющая напряженности магнитного поля Земли на широте Могилева больше, чем горизонтальная. В северном полушарии ближе к нижней части стержня расположен южный магнитный полюс. Он находится недалеко от северного географического полюса. Поэтому на нижнем конце индуцируется северный полюс. Если поднести компас к нижней части стержня, то к стержню повернется южный полюс магнитной стрелки. Из изложенного выше следует, что 69 окружающие нас ферромагнитные предметы под влиянием поля Земли приобретают остаточную намагниченность. Как объяснить намагничивание ферромагнитных тел в магнитном поле? В большинстве веществ магнитные поля, создаваемые атомами, ориен- тированы хаотически. Поэтому их действие внешне не проявляется. В ферромагнетиках – по-другому. При обычных температурах они состоят из областей спонтанной (самопроизвольной) намагниченности – доменов В каждом домене все атомы расположены так, что создаваемые ими магнитные поля совпадают по направлению. То есть домен является магнитиком. В ненамагниченном ферромагнетике домены расположены хаотически, их поля направлены в разные стороны и суммарный магнитный момент равен нулю. Если же ферромагнетик попадает во внешнее магнитное поле, то домены выстраиваются (более или менее строго в зависимости от напряженности поля) в направлении поля и магнитные поля доменов начинают себя проявлять, например, притягивать железные опилки. Как используется способность ферромагнитных тел намагничиваться в магнитном поле Земли на производстве? Способность ферромагнитных объектов намагничиваться в магнитном поле Земли используют на производстве. Установлена зависимость коэрцитивной силы от уровня действующих напряжений и накопления повреждений в металле, определяющих остаточный ресурс действующей конструкции. На основе многочисленных экспериментов выделены режимы надежной эксплуатации объекта, контролируемой эксплуатации и критический режим. Назовите основные магнитные характеристики постоянных магнитов. Основными магнитными характеристиками постоянных магнитов являются остаточная магнитная индукция r B , коэрцитивная сила по намаг- ниченности , cM H коэрцитивная сила по индукции cB H , энергетическое произведение В , Дж/м 3 Как осуществляют намагничивание и размагничивание постоянных магнитов? Намагничивание ферромагнетика, выполненного из магнитотвердого материала, с целью получения постоянного магнита осуществляют до его насыщения. Считают, что в этом случае должно выполняться усло- вие max H 5 c H , где max H – максимальная величина намагничивающего поля, 70 c H – коэрцитивная сила материала магнита. При этом чаще всего, если это возможно, будущий магнит зажимают между полюсами электромагнита постоянного тока. Если материал является магнитно-анизотропным, то поле должно действовать в направлении текстуры. Минимальную продолжительность импульса t определяют по следующей приближенной формуле: 2 9 σ 10 c, B t D H где В – индукция в магните, Тл; Н – напряженность намагничивающего поля, кА/м; D – эффективный диаметр магнита, м; – удельная электрическая проводимость, См/м. Для обработки заготовки, предназначенной для изготовления магнита, удобства транспортировки, сборки систем перед повторным намагничиванием магниты полностью размагничивают. Обычно размагничивание осуществляют, воздействуя на магнит низкочастотным переменным магнитным полем с убывающей до нуля амплитудой. 1.8.6. Электромагниты Как устроены электромагниты? Электромагнит представляет собой ферромагнитный сердечник из магнитно-мягкого материала, на который нанесена электрическая обмотка. В качестве материала сердечника с учетом требований технического, техноло- гического и экономического характера обычно используют низкоуглеродистые стали – сталь Ст 3, сталь 10, сталь 20, сталь Армко и др. Форма сердечника может быть разная: в виде параллелепипеда, П-образная, Ш-образная и т. д. Как правило, обмоточный провод должен быть хорошо изолирован от сердечника. Он может быть нанесен на лакоткань или жесткий диэлектрический каркас. С какой целью в электромагнитах применяют ферромагнитные сердечники? Магнитное поле катушки с ферромагнитным сердечником значительно сильнее, чем поле катушки без сердечника, т. е. ферромагнетик внутри катушки сильно намагничивается и поле его складывается с полем катушки ( B = 0 H + 0 M ). Приведенная формула определяет величину магнитной индукции в сердечнике электромагнита. Однако, как следует из приведенной выше формулы, применение ферромагнитных сердечников в электромагнитах для усиления поля полезно только до известного предела. После достижения 71 намагниченности насыщения M = s M (все домены сориентировались вдоль поля) второе слагаемое этой формулы стало постоянным и индукция возрастает только за счет роста первого слагаемого. Поле, создаваемое обмоткой, может оказаться много больше поля насыщенного ферромагнитного сердечника, так что сердечник становится почти бесполезным и лишь усложняет конструкцию электромагнита. Поэтому самые мощные электромагниты изготовляют без сердечников. Такие электромагниты имеют огромные размеры и для магнитной дефектоскопии не применяются. По какой формуле рассчитывается отрывная сила электромагнита или постоянного магнита? Отрывную силу рассчитывают по формуле 2 0 , 2μ B F S где В – величина магнитной индукции в магнитном полюсе, контактирующем с деталью; 0 – магнитная постоянная; S – сечение полюса. Определите отрывную силу электромагнита, у которого сечение внутреннего полюса 1 S ,м 2 , магнитная индукция в нем 1 B ,Тл, а сечение внешнего цилиндрического кольцевого полюса 2 S , м 2 . Магнитная индукция во внешнем полюсе 2 1 1 2 S S B B , отрывная сила 2 2 2 1 2 1 1 1 1 2 1 2 1 1 0 0 0 2 2 1 1 2μ 2μ 2μ B B B S S F F F S S S F S S Сердечник электромагнита состоит из двух полюсов и перемычки |