404 Not Found | Абитуриент ТГУ

  • Геолого-географический факультет
  • Институт биологии, экологии, почвоведения, сельского и лесного хозяйства
  • Институт военного образования
  • Институт искусств и культуры
  • Институт прикладной математики и компьютерных наук
  • Институт экономики и менеджмента
  • Механико-математический факультет
  • Радиофизический факультет
  • Факультет журналистики
  • Факультет инновационных технологий
  • Факультет иностранных языков
  • Факультет исторических и политических наук
  • Факультет психологии
  • Факультет физической культуры
  • Физико-технический факультет
  • Физический факультет
  • Филологический факультет
  • Философский факультет
  • Химический факультет
  • Юридический институт
  • Почему ТГУ
    • Обращение ректора
    • Университет вчера, сегодня
    • 5 причин выбрать ТГУ
    • Моя специальность — . ..
    • Военная подготовка
    • Трудоустройство выпускников
  • Поступай в ТГУ
    • Направления подготовки, специальности
      • Бакалавриат
      • Специалитет
      • Магистратура
      • Аспирантура
      • Факультеты, учебные институты
      • Уровни подготовки, формы обучения, списки образовательных программ
      • Знаки качества образовательных программ
    • Правила приема в ТГУ
      • Особенности приема в 2019 году
      • Прием документов
      • Целевое обучение
      • Прием иностранных граждан
      • Обучение на платной основе
      • Особые права при приеме
      • Выездные комиссии
      • Общежития
      • Стипендии
    • Документы для поступления
    • Вступительные испытания
      • Минимальные баллы
      • Программы вступительных испытаний
      • Льготы для призеров олимпиад
      • Подача апелляции
      • Особенности проведения вступительных испытаний для граждан с ограниченными возможностями здоровья
      • Пробные экзамены в СНГ
      • Результаты вступительных испытаний в традиционной форме
    • Методическая помощь поступающим
    • Работа в регионах РФ и СНГ
    • Конкурсы прошлых лет, архив
    • Нормативные документы
      • Сведения об образовательной организации
      • Лицензия на право образовательной деятельности ТГУ
      • Свидетельство о государственной аккредитации ТГУ
      • Устав ТГУ
      • Документы об аккредитации образовательных программ
      • Направления подготовки – 2019
      • Количество мест для приема на обучение – 2019
      • Бланки документов \ заявлений
      • Приказы о зачислении 2018 г.
    • Календарь событий
    • Азбука абитуриента
  • Найди себя в ТГУ
    • Фотогалерея
    • Форум «Таланты Сибири»
    • ТГУ – школам
    • Туризм, спорт
    • Культура, искусство
  • Довузовская подготовка
    • Подготовительные курсы
      • Расписание подготовительных курсов
      • Списки групп вечерних подготовительных курсов
      • Образовательные программы
      • Методическая помощь для слушателей ФДП
      • Новости
    • Факультет довузовской подготовки
    • Интернет-лицей ТГУ
  • Олимпиадный центр
    • Студенческие олимпиады: Я – профессионал, Open Doors
    • ОРМО
      • История олимпиады
      • Регистрация на олимпиаду
      • Расписание олимпиады
      • Подать заявку на участие от школы
      • Регистрация и расписание ОРМО онлайн
      • Региональные площадки 2018/19 уч. г.
      • Олимпиадные задания прошлых лет
      • Результаты
      • Работы призеров и победителей ОРМО 2018/19
      • Работы призеров и победителей ОРМО 2017/18
      • Работы призеров и победителей ОРМО 2016/17
      • Работы призеров и победителей ОРМО 2015/16
      • Методическая помощь
      • Документы ОРМО
      • Нормативная база ОРМО
    • Океан знаний
    • Технологическое предпринимательство АИРР
    • Саммат
    • Будущее Сибири
      • Результаты
      • Региональные площадки
    • Северо-Восточная олимпиада
      • Регистрация
      • Результаты
    • Олимпиада по биологии и химии (БИБН)
    • Олимпиада по информатике и математике
    • Региональный конкурс Челябинского округа
    • Технокубок
    • Перечень утвержденных олимпиад на 2018/19 уч. год
    • Регистрация на очное участие
    • Расписание отборочных этапов олимпиад в Томске
    • Расписание заключительных этапов олимпиад школьников
    • Регистрация и расписание олимпиад онлайн
    • Архив новостей олимпиад
  • Контакты
    • Вопрос-ответ
    • ТГУ ВКонтакте

7.

Электромагнитная индукция, вихревые токи

ДОПОЛНЕНИЕ К ФИЗИЧЕСКИМ ОСНОВАМ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ ДЕФЕКТОСКОПИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ДЕФЕКТОСКОПИИ РЕЛЬСОВ

Содержание

7. Электромагнитная индукция, вихревые токи 20

8. Магнитодтнамический метод контроля 22

8.1. Магнитодинамическое намагничивание рельсов 22

8.2. Характер сигнала. Факторы, влияющие

на характер сигнала 26

9. Феррозондовый контроль 29

Рекомендуемая литература 31

Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадеем 1886 году. Это открытие дало мощный толчок развитию науки и техники тех лет. Схема опыта, иллюстрирующая это явление, приведена на рис. 13 а. Как показали опыты, в момент движения магнита в катушке возникает электрический ток. Причем, при движении магнита внутрь катушки стрелка отклоняется в одну сторону (вправо), а при движении магнита наружу — в другую (влево). После многочисленных экспериментов Фарадей сделал вывод, что причиной возникновения этих токов является изменяющийся магнитный поток, пронизывающий витки катушки. Эти токи возникают не обязательно в катушке, а будут возникать в любом массивном проводящем теле. Поскольку контуры токов имеют замкнутый вид, их назвали вихревыми токами или токами Фуко. Для напряжения (ЭДС – электродвижущей силы), создающего эти токи, было получено уравнение  = – Ф/t, где  — величина электрического напряжения (ЭДС), наводимого в катушке, Ф – изменение магнитного потока, t – время, за которое произошло это изменение. Заметим, что в этой формуле стоит знак минус. Этот знак указывает на то, что направлены эти токи так, чтобы скомпенсировать причину, их вызывающую. То есть магнитное поле, создаваемое вихревыми токами будет направлено в противоположную сторону полю магнита.

а

б

Рис. 13. Возникновение вихревых токов в катушке.

Величина магнитного потока равна произведению магнитной индукции на количество витков и площадь катушки, поэтому чем быстрее будет меняется магнитное поле пронизывающее витки катушки, тем большее напряжение будет на ней возникать. На рис. 13 б показано возникновение ЭДС в катушке перемещаемой над дефектом, создающим магнитное поле рассеяния. В этом случае магнитный поток создается продольной составляющей поля рассеяния дефекта. При наезде на дефект поток возрастает и ЭДС имеет один знак, при отъезде – поток уменьшается и знак ЭДС противоположный.

8. Магнитодинамический метод контроля

8.1. Магнитодинамическое намагничивание рельсов

Намагничивание детали осуществляется при помещении ее в магнитное поле. Как уже отмечалось в начале, магнитные поля могут создаваться постоянными магнитами, электромагнитами или проводниками с током. Для скоростного дефектоскопирования рельсов в пути используется магнитодинамический способ намагничивания. Схема магнитодинамического намагничивания, используемая в магнитном вагоне дефектоскопе, приведена на рис. 14. Постоянное магнитное поле возбуждается П – образными электромагнитами постоянного тока (по одному на каждую рельсовую нитку пути) и перемещается относительно рельса со скоростью движения вагона. Для обеспечения стабильности процесса намагничивания между полюсами электромагнита и рельсом фиксируется постоянный воздушный зазор порядка 8 – 10 мм. Магнитный поток, создаваемый в П – образном сердечнике частично рассеивается ( Фр), частично замыкается через рельс в межполюсном пространстве (Фмп) и частично замыкается через рельс и металлические детали вагона в заполюсном пространстве (Фзп). Используемый для контроля межполюсной поток составляет, в

Рис. 14. Схема распределения магнитного потока при магнитодинамическом намагничивании.

зависимости условий (скорость вагона, величина зазора, ток намагничивания) до 60 % от общего потока Ф, создаваемого в электромагните.

В любом случае Ф = Фр + Фзп + Фмп . Намагничивание в совмещенной дефектоскопной мотрисе отличается тем, что оно происходит через колесные пары на осях которых находятся катушки.

Рассмотрим процесс намагничивания рельса в точке, указанной на рис.14 стрелкой при движении намагничивающего устройства в несколько последовательных моментов времени. Пусть в начальный момент над рассматриваемой точкой находится южный полюс электромагнита (рис.15 а). В этот момент направление магнитной индукции в рассматриваемой точке будет перпендикулярно поверхности рельса и направлено вверх, продольной составляющей у него нет.

а б

контур

вихревых

токов

в

контур вихревых токов

г д

S

N

S

N

В

В

Рис.15. Направление магнитной индукции и контур вихревых токов, наводимых в рельсе в пять последовательных момен- тов времени в точке указанной стрелкой.

Появление магнитного поля и изменяющегося магнитного потока, как это было показано ранее, приведет к возникновению вихревых токов, контур которых будет лежать в плоскости перпендикулярной магнитной индукции. В следующий момент времени рассматриваемая точка будет находиться за полюсом. Направление поля и положение контура вихревых токов изображены на рис. 15 б. Продольная составляющая магнитного поля растет, а контур вихревых токов поворачивается. В следующий момент времени, когда рассматриваемая область находится между полюсами, продольная составляющая магнитного поля будет максимальна, а контур вихревых токов лежит в плоскости перпендикулярной продольной оси рельса (рис. 15 в). Следующие два момента, изображены на рис. 15 г и д и аналогичны первым двум. Распределение среднего значения продольной составляющей магнитного потока в головке рельса в пространстве между полюсами электромагнита показано на рис. 16. Серые прямоугольники соответствуют полюсам электромагнита, направление движения указано стрелкой. Графику под цифрой 1 соответствует статическое распределение при отсутствии движения. Распределение имеет симметричный относительно средней линии вид. Резкое изменение продольной составляющей магнитного потока происходит в области около полюсов, в остальном межполюсном промежутке поток одинаков. Графики для

Ф 1

2

3

Х

Рис. 16. Распределение среднего значения продольной составляющей магнитного потока в головке рельса в пространстве между полюсами электромагнита для разных скоростей движения электромагнита: 1 – 0 км/ч, 2 – 10 км/ч, 3 – 40 км/ч.

скоростей 10 км/ч и 40 км/ч приведены соответственно под цифрами 2 и 3. Из графиков видно, что симметрия кривых распределения нарушается. Появляется максимум магнитного поля, который находится в области заднего полюса электромагнита и величина которого несколько меньше, чем было при отсутствии скорости. С ростом скорости значение потока уменьшается во всех точках межполюсного промежутка.

Приведенные картинки справедливы для среднего значения магнитного потока и для поверхностных слоев. Распределения поля в более глубоких слоях значительно сложнее, что объясняется действием вихревых токов. При этом, если контуры вихревых токов будут пересекать трещины, то эти контуры изменят свою форму, что приведет в изменению их магнитных полей как внутри головки рельса, так и над ее поверхностью. Таким образом, при магнитодинамическом намагничивании магнитное поле рассеяния дефекта НД , которое называется магнитодинамическим полем дефекта, можно представить себе состоящим из двух частей. Первое это поле рассеяния дефекта, о котором говорилось в п. 6, называется магнитостатическим НДМ и второе это поле от взаимодействия вихревых токов с трещинами, называется вихретоковым НДВ : НД = НДМ + НДВ . При этом надо учитывать, что поперечные трещины будут препятствовать протеканию продольных вихревых токов, а продольные (как горизонтальные, так и вертикальные) трещины будут препятствовать протеканию поперечных вихревых токов. Продольная составляющая магнитодинамического поля дефекта регистрируют при помощи многовитковой катушки без сердечника, перемещающейся вместе с намагничивающей системой и расположенной около рабочей поверхности рельса (рис. 17). Оптимальным положением приемной катушки будет область межполюсного пространства около заднего полюса электромагнита. С одной стороны значение продольной составляющей магнитного потока там близко к максимальному (рис.16), а с другой стороны контур вихревых токов там имеет как продольную (для выявления поперечных трещин), так и поперечную (для выявления продольных трещин), составляющие (рис. 15 г).

При движении вагона в искательной (приемной) катушке наводится ЭДС в виде отдельных импульсов, имеющих различную величину, длительность и форму. Сигнал приемной катушки будет зависеть от скорости движения. При низких скоростях (до 15 — 20 км/ч) величина вихревых токов еще не значительна и основной вклад будет давать магнитостатическая составляющая НДМ . При увеличении скорости с ростом величины вихревых токов основной вклад будет переходить к вихретоковой составляющей НДВ . Меняться будет также и форма сигнала, наводимого в катушке. Максимальная скорость, при которой может осуществляться контроль, достигает 70 – 80 км/ч.

Рис. 17. Искательная система для магнитодинамического

контроля рельсов.

Магнитодинамический метод позволяет выявлять внутренние поперечные трещины в головке рельса с площадью поражения более 30 – 50% и залегающие на глубине до 5 – 6 мм от поверхности катания. Выявляются так же продольные вертикальные и горизонтальные трещины как выходящие на поверхность, так и внутренние расположенные на глубине до 4 – 5 мм.

Мозговые «разрушители» — магнитные поля и т. д.

Мозговые «разрушители» — магнитные поля и т. д.

Ответ [1] : Во-первых, мы отмечаем, что стрелка компаса при отсутствии тока будет указывать на N в точках A, B и C. Во-вторых, мы отмечаем, что непосредственно под цепью в точках A и B магнитное поле из-за ток направлен на запад, хотя, поскольку вблизи В есть два параллельных провода, несущих один и тот же ток, поле в В, вызванное током, в два раза больше, чем в А. В-третьих, поскольку токи, проходящие по двум проводам вблизи С имеют одинаковую величину, но в противоположных направлениях практически нет поля из-за тока в С. Используя принцип векторного сложения магнитных полей, мы можем видеть, что стрелка компаса в С по-прежнему будет указывать на N; в точках А и В стрелка будет отклоняться к западу, но в точке В отклонение будет больше.

Вернитесь к «разрушителям мозгов».

Ответ [2] : Ага! Северный и южный полюса стрелки компаса названы так потому, что они отыскивают северный и южный географические полюса Земли соответственно. Если бы северный и южный географические полюса Земли были отмечены деревянными столбиками и нам нужно было нарисовать на них типа столба, то столб возле северного географического полюса имел бы на нем букву «S», а столб возле южного на географическом полюсе будет буква «N»!

Посмотрите на это по-другому. Линии магнитного поля «идут» от севера к югу, и если мы посмотрим на силовые линии вокруг Земли:

мы видим, что они идут от южного географического полюса к северному географическому полюсу. Поэтому то, что мы называем северным полюсом Земли, на самом деле является южным полюсом, и наоборот! Северный конец стрелки компаса просто «ищет» северный географический полюс.

Вернитесь к «разрушителям мозгов».

Ответ [3] : Скажите другу номер один, что линии магнитного поля вокруг Земли непрерывны от полюса к полюсу, см. рисунок в ответе [2] выше. Поскольку стрелка компаса выравнивается с линиями магнитного поля, она не будет поворачиваться в направлении, когда вы пересекаете экватор.

Вернитесь к «разрушителям мозгов».

Ответ [4] : На самом деле это очень просто! Возьмите один стержень (№1) и поместите один конец посередине другого (№2) так, чтобы получилась буква «Т». Если есть притяжение, то №1 — это магнит; если нет, то №2 — это магнит!

Вернитесь к «разрушителям мозгов».

Ответ [5] : Мы знаем, что два параллельных провода с токами в одном направлении притягиваются друг к другу, а два параллельных провода с токами в противоположных направлениях отталкиваются друг от друга. Следовательно, средний провод будет притягиваться к проводу слева и отталкиваться от провода справа. Поскольку каждый из фиксированных проводов воздействует на средний провод влево, результирующая сила на среднем проводе будет направлена ​​влево. Таким образом, средний провод будет двигаться влево.

Вернитесь к «разрушителям мозгов».

Ответ [6] : Мы можем определить полярность электромагнитов с помощью правила правой руки. Для электромагнита на рисунке (а), если смотреть на электромагнит с позиции перманента, ток течет против часовой стрелки, поэтому поле направлено наружу, то есть вправо. Таким образом, правый конец катушки должен быть северным полюсом, поскольку линии магнитного поля оставляют северный полюс. Таким образом, левый конец должен быть южным полюсом.

Аналогичные рассуждения можно использовать для идентификации северного и южного полюсов электромагнита на рисунке (b). Результаты показаны на рисунке выше. Поскольку одинаковые полюса двух разных магнитов отталкивают друг друга, а разные полюса двух разных магнитов притягиваются друг к другу, мы можем заключить, что в обоих случаях электромагнит отталкивается от постоянного магнита справа.

Обратите внимание, что если бы токи в (а) или (б) поменялись местами, то полюса электромагнита поменялись местами, и поэтому у нас было бы притяжение.

Одно удобное «устройство», которое я использую для определения полярности конца катушки:

Направление тока показано стрелками.

Вернитесь к «разрушителям мозгов».

Ответ [7] : Мы можем определить полярность концов каждого электромагнита, используя правило правой руки; если ток направлен против часовой стрелки, линии направлены наружу, т. е. к северному полюсу, если ток направлен по часовой стрелке, линии направлены внутрь, т. е. к южному полюсу. Так, например, правый конец катушки слева в (а) должен быть северным полюсом. Аналогичные рассуждения можно использовать для определения северного и южного полюсов других оставшихся электромагнитов.

Результаты показаны на рисунке выше. Поскольку одинаковые полюса двух разных магнитов отталкивают друг друга, а разные полюса двух разных магнитов притягиваются друг к другу, мы можем заключить, что расположение, показанное в (а), приводит к притяжению; электромагниты, показанные на схеме (b), отталкиваются друг от друга.

Вернитесь к «разрушителям мозгов».

Ответ [8] : Если предположить, что магнетизм Земли возникает из большой круговой петли тока внутри Земли, плоскость этой петли должна быть перпендикулярна магнитной оси Земли, как показано ниже.

Поскольку линии магнитного поля текут внутрь к географическому северному полюсу Земли, с помощью правила правой руки мы обнаруживаем, что ток должен течь по часовой стрелке, если смотреть на петлю вниз с географического северного полюса.

Вернитесь к «разрушителям мозгов».

Ответ [9] : Полное магнитное поле в точке P является результатом магнитного поля в P из-за каждого отдельного провода. Если ток во всех четырех проводах направлен на страницу, то по правилу правой руки магнитное поле в точке P из-за тока в #1 должно быть направлено в сторону #4, магнитное поле в точке P из-за тока в #2 должно быть направлено в сторону #1, магнитное поле в точке P из-за тока в #3 должно быть направлено в сторону #2, а магнитное поле в точке P из-за тока в #4 должно быть направлено в сторону #3, как показано ниже.

Поскольку ток во всех четырех проводах имеет одинаковую величину и все четыре провода находятся на одинаковом расстоянии от точки P, каждый провод создает магнитное поле в точке P одинаковой величины. Когда ток течет по всем четырем проводам, общее магнитное поле в точке P равно нулю. Если ток в любом отдельном проводе отключен, полное магнитное поле будет направлено на один из углов. Например, если ток в #1 отключен, результат B 2 и B 4 по-прежнему равно нулю, а полное магнитное поле равно B 3 . Если ток в № 2 отключен, то общее магнитное поле равно B 4 и так далее.

Однако это не единственный ответ! Аналогичного результата можно добиться, если ток во всех четырех проводах будет направлен за пределы страницы. Фактически, при условии, что противоположные провода по диагонали имеют токи в одном и том же направлении (например, № 1 и № 3 с внешними токами и № 2 и № 4 с внутренними токами), полное магнитное поле будет направлено на один из углов, когда один токов отключается.

Вернитесь к «разрушителям мозгов».

Ответ [10] : Токи в № 1 и № 2 создают магнитные поля B 1 и B 2 в пустом углу, как показано на рисунке.

Направления этих полей можно получить с помощью правила правой руки. Поскольку в №1 и №2 (= I) протекают одинаковые токи и поскольку эти провода находятся на одинаковом расстоянии d от пустого угла, B 1 и B 2 имеют равные величины. Величина результирующего поля определяется выражением:

Ток в #3 создает поле B 3 в открытом углу, и, поскольку чистое поле должно быть равно нулю, B 3 должно быть равно (B 1 + B 2 ) и быть направленным в противоположном направлении. Следовательно, по правилу правой руки ток в №3 должен быть направлен вверх. Кроме того, поскольку B 3 = (B 1 + B 2 )

Ответ [11] : Определим магнитные поля через длину L и ток I. Для квадрата

B квадрат = 4 × (μ o I/4πR)(sinθ 1 + sinθ 2 ) = 3,60 (μ o л/л).

Для круга,

B окружность = μ o I/2R = 3,14 (μ o I/L).

Для равностороннего треугольника

B треугольник = 3 × (μ o I/4πR)(sinθ 1 + sinθ 2 ) = 4,30 (μ o л/л).

Итак, равносторонний треугольник побеждает (легко)!

Вернитесь к «разрушителям мозгов».

Есть ли у электромагнита северный и южный полюса?

Общеизвестно, что у постоянного магнита есть северный и южный полюса. Но разве у электромагнита тоже есть магнитные полюса?

Сначала краткий обзор электромагнитов. Когда по проводу протекает электрический ток, вокруг провода возникает слабое магнитное поле. Намотав множество витков проволоки на металлический сердечник, вы можете сделать это слабое поле очень сильным, даже достаточно сильным, чтобы поднять старую машину.

У электромагнита есть северный и южный полюса, и это легко продемонстрировать с помощью набора «Электрические цепи».

Занятие KitBook № 9 содержит инструкции по сборке простого электромагнита с помощью гвоздя и проволоки. После сборки электромагнита поместите компас KitBook рядом с одним концом электромагнита и замкните переключатель. Либо северный, либо южный конец компаса будет указывать на электромагнит. Поскольку противоположные магнитные поля притягиваются, если северный конец компаса указывает на электромагнит, это южный полюс электромагнита. Медленно перемещая компас вокруг электромагнита, вы можете увидеть ориентацию всего магнитного поля, окружающего катушку с проводом.

Интересной особенностью электромагнита является то, что, в отличие от постоянного магнита, его магнитное поле можно менять на противоположное. Это основано на принципе физики, известном как «Правило правой руки». Проще говоря, в нем говорится, что если вы возьмете провод правой рукой и направите большой палец в направлении тока, ваши скрученные пальцы укажут направление силовых линий магнитного поля. Поскольку направление тока определяет ориентацию магнитного поля, изменение направления тока также изменит магнитное поле и, следовательно, северный/южный полюса.

«Правило правой руки»

«Правило правой руки» можно легко продемонстрировать в KitBook, как показано ниже. Снова сделайте электромагнит, как описано в упражнении № 9. Поместите компас примерно на четверть дюйма от катушки и нажмите кнопку. Обратите внимание и запишите, какой конец магнита указывает на электромагнит. Теперь переверните батарею в держателе и повторите эксперимент. Противоположный конец компаса будет указывать на катушку, поскольку ток и, следовательно, магнитное поле поменялись местами.

Когда клемма «+» батареи направлена ​​влево, ток течет против часовой стрелки, создавая электромагнит с северным полюсом.

Когда клемма «+» батареи направлена ​​вправо, ток течет по часовой стрелке, создавая электромагнит с южным полюсом.

Этот принцип имеет множество практических применений. Использование направления тока для определения направления вращения двигателя постоянного тока является одним из приложений. Мотор и цветовое колесо KitBook могут продемонстрировать это. Соберите последовательную цепь с батареей, мотором и ползунковым переключателем. Поместите цветовой круг на вал двигателя и установите переключатель в положение «включено». Обратите внимание, в какую сторону вращается двигатель. Не выключая переключатель, извлеките аккумулятор из держателя и переверните его. Обратите внимание, что происходит с двигателем. Двигатель остановится, затем изменит направление движения.

Этот же принцип используется для подъема и опускания стеклоподъемников в автомобиле. Когда ток течет через двигатель окна в одном направлении, окно опускается, а когда ток идет в обратном направлении, окно поднимается.

Вы только что узнали несколько важных фактов об электромагнитах. Вы можете включать и выключать магнетизм с помощью переключателя. Вы можете усилить магнитное поле, добавив больше катушек. Вы можете изменить полюса электромагнита, изменив направление тока. И, наконец, направление вращения двигателя постоянного тока можно контролировать направлением тока, протекающего через электромагниты двигателя.