11. Измерение магнитных полей

Измерение магнитных полей необходимо проводить при проверке или калибровке намагничивающих устройств дефектоскопов, при проверке режимов намагничивания контролирумых деталей а также при оценке качества размагничивания деталей посте магнитного контроля.

Для измерения магнитного поля чаще всего используют феррозонды полемеры (о них было сказано выше) и миллитесламетры. Поскольку магнитная проницаемость воздуха равна 1 и не зависит от напряженности поля, то измерение магнитной индукции В и напряженности Н равносильны. Различие в названиях приборов обусловлено физическим принципом их действия. Между единицами измерения Н (А/см) и В (мТл) существует прямая зависимость (об этом уже говорилось ранее). Из соотношения В = ₀Н следует, что 1 А/см = 0,1256 мТл, а 1 мТл = 7,96 А/см .

Измерение магнитной индукции В миллителаметром основано на эффекте Холла. Датчик Холла представляет собой прямоугольную полупроводниковую пластинку с четырьмя контактами по ее сторонам рис. 23, а.

Через два противоположных контакта пропускается электрический ток, а на двух других – измеряют напряжение. При отсутствии внешнего магнитного поля напряжение будет равно нулю. Если же пластинку поместить в магнитное поле, направленное перпендикулярно ей, как это показано на рисунке, то на электроны начинает действовать сила, отклоняющая их в сторону, и между второй парой контактов появляется напряжение, пропорциональное значению магнитной индукции В. Важно помнить, что прибор будет измерять только составляющую поля, направленную перпендикулярно чувствительному элементу датчика! Две конструкции датчиков с торцевым и боковым расположением чувствительного элемента схематично изображены на рис. 23, в и г соответственно.

Рис. 23. Принцип действия и устройство датчика миллитесламетра: а – рабочий элемент, б – внешний вид датчика с торцевым расположением, в – с боковы расположением чувствительного элемента

12. Явление электромагнитной индукции Фарадея

Схема простейшего опыта, иллюстрирующая явление электромагнитной индукции, приведена на рис. 1.2. Как показали опыты, в момент движения магнита в катушке возникает электрический ток. Причем, при движении магнита внутрь катушки стрелка измерительного прибора отклоняется в одну сторону (например, вправо), а при движении магнита наружу – в другую (влево). При отсутствии движения тока в катушке нет. После многочисленных экспериментов Фарадей сделал вывод, что причиной возникновения этих токов является изменяющийся во времени магнитный поток Ф_В,

Рис. 1.2. Явление электромагнитной индукции

пронизывающий витки катушки. Магнитный поток Ф_В создается магнитным полем постоянного магнита и равен произведению суммарной площади витков катушки на значение индукции магнитного поля В (в случае когда направление магнитного поля перпендикулярно плоскости витков) или в общем случае:

Ф_В = SB cos, (2)

если поле составляет с нормалью n (перпендикуляром) к плоскости витков угол  (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Магнитный поток через площадку

Более детальные опыты были поставлены затем Фарадеем с двумя параллельно расположенными рядом витками (контурами), рис. 1.4. Первый контур был подсоединен к источнику тока, величину которого можно было регулировать при помощи реостата и таким образом создавалось контролируемое изменяющееся во времени магнитное поле. Ко второму контуру подсоединялся измерительный прибор.

Первый опыт заключался в том, что значение тока в первом контуре (т.е. создаваемое им магнитного поля) увеличивалось. В этом случае во втором контуре возникал так называемый индукционный (наведенный) ток I₂₁, направленный в сторону, противоположную току в первом контуре.

Второй опыт соответственно проводился при уменьшении тока в первом контуре. В этом случае во втором контуре также возникал ток I₂₂, но его направление совпадало с направлением тока в первом контуре. При этом в обоих случаях значение тока во втором контуре увеличивалось с увеличением скорости изменения тока в первом контуре.

Рис. 1.4. Возникновение индукционного тока в контуре

Рис. 1.5. Возникновение вихревых токов в контролируемом объекте

Общим в этих опытах было то, что менялась величина магнитного потока Ф_В = BS, пронизывающего второй контур в результате изменения магнитного поля, создаваемого током первого контура.

На основании анализа этих и других опытов, учитывая, что токи создаются напряжением (или электродвижущей силой, ЭДС) Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции: величина наводимой в контуре ЭДС (напряжения) пропорциональна скорости изменения пронизывающего его магнитного потока, а направление таково, чтобы препятствовать причине вызывающей эту ЭДС, или в виде формулы:

ЭДС_ИНД = U_ИНД = – Ф_М/t = – (BS)/t, (3)

где Ф_М = (BS) – величина изменения магнитного потока, t – промежуток времени, за который происходит это изменение.

Вторая часть закона о направлении ЭДС и знак «минус» в формуле (3) выражают правило Ленца.

Если мы имеем катушку, состоящую из N витков, то магнитный поток в (3) умножается на число витков этой катушки.

Очевидно, что если через первый контур пропускать переменный ток, то во втором контуру будет также возбуждаться переменная ЭДС и потечет переменный ток.

Этот закон лежит в основе работы трансформаторов, электрогенераторов и многих других приборов и устройств, в том числе и вихретоковых дефектоскопов.