Файл: Дорофеев, А. Л. Индукционная структуроскопия.pdf

Некоторые атомы и ионы обладают постоянными маг­ нитными моментами, которые обычно ориентированы хаотически .по всем направлениям п под действием, маг­ нитного поля ориентируются по направлению поля неза­ висимо друг от друга. Такие вещества называют пара­ магнетиками. Их магнитная восприимчивость положи­ тельная.

Любой парамагнетик обладает и диамагнетизмом, но поскольку оба эффекта противоположны друг другу, сум­

постоянных магнитных моментов групп атомов в одном направлении. Природа парамагнетизма и ферромагне­ тизма одна. К ферромагнетикам относятся железо, ко­ бальт, никель и некоторые редкоземельные элементы. Общей чертой всех ферромагнитных материалов являет­ ся их электронная структура. Железо, кобальт и никель относятся к переходной 3d группе, а редкоземельные элементы — к переходной 4/группе [Л. 5]. Наличие у фер­ ромагнетиков незаполненных d и f оболочек является важной деталью современных теорий ферромагнетизма. Во всех случаях соотношение между диаметром атома D и радиусом нестабильной орбиты /• равно или больше 3. Атомы металла, обладающего магнитными свойствами, группируются в области, называемые доменами. Это наименьшие из известных постоянных магнитов. В каж­ дом домене примерно 1015 атомов. Шесть тысяч доменов занимают площадь сравнимую с булавочной головкой.

В размагниченных ферромагнитных материалах доме­ ны ориентированы случайным образом и их магнитные поля нейтрализуют друг друга. Воздействие магнитного поля приводит к ориентации доменов в направлении 'при­ ложенного поля и их магнитные моменты складываются.

У магнитномяпшх материалов, например железа, далее небольшое внешнее поле приводит к ориентации доменоз вдоль силовых линий поля, но вследствие малой удер­ живающей силы при снятии внешнего поля остается лишь слабое намагничивание. У магнитножестких мате­ риалов, например таких, как сплав типа альнико, для переориентации доменов должно быть приложено силь­ ное внешнее поле. Зато после снятия этого поля ориен­ тация доменов сохраняется и оВразец становится посто­ янным магнитом.

10

Зависимость магнитной индукции В от Я при измене­ нии Я не представляет собой единой кривой, а характе­ ризуется петлей гистерезиса. Площадь петли соответст­ вует работе, необходимой для проведения одного цикла перемагничивания образца. Форма петли, максимальное значение индукции, положение точек пересечения с ося­ ми координат зависят от условий термообработки ферро­ магнитного материала, его химического состава и других факторов.

На кривой намагничивания имеются три области: нижний участок — участок «смещения», характеризую­ щийся смещением границ между областями самопроиз­ вольной намагниченности. В более сильных полях проис­ ходит процесс поворота областей самопроизвольной на­ магниченности в направлении поля. Этот участок называют областью вращения. Последний этап намагни­ чивания, происходящий в полях выше технического насы­ щения, называется парапроцессом или «истинным» на­ магничиванием. Характер кривой намагничивания обу­ словливается кристаллической структурой вещества, а также внутренними напряжениями. Эти последние тесно

.связаны с матннтострикцией.

Существует по меньшей мере четыре типа петель ги­ стерезиса: нормальная петля (с соотношением Вг/В^аі<с = = 0,54-0,7); прямоугольная петля, характерная для фер­

[Л. 35]. На форму петли влияют внешние упругие напря­ жения, температура, геометрические размеры, частота изменения намагничивающего поля, наличие постоянного подмагничивающего поля и т. д.

Большое число факторов влияет и на различные виды магнитной проницаемости. Для симметричных перемен­ ных магнитных полей часто пользуются тремя видами магнитчой проницаемости: магнитной проницаемостью тела ц.т, динамической проницаемостью u.Ä i m , комплексной магнитной проницаемостью цк=|.іі—/ц-г- При наличии подмагничивающего поля необходимо строить зависи­ мости типа ,ид а ш/Я для разных значений напряженности магнитного поля.

Проницаемость тела строго рассчитывается для тел простейшей формы, например, эллипсоида, помещенного во внешнее поле, направленное вдоль одной из его осей.

11

Она представляет собой отношение среднего значения индукции к напряженности внешнего поля:

14 = ^ - (1-4)

где ц.—-относительная магнитная проницаемость.

Эту характеристику можно выразить через коэффи­

пряженности магнитного поля. Комплексную магнитную проницаемость ц к представляют в виде двух составляю­

=.іідин совпадает с динамической проницаемостью.

Влюбом проводящем теле, помещенном в быстроме­ няющееся магнитное поле, возникают вихревые токи.

Их величину и распределение чю сечению проводяще­ го тела находят аналитически, путем решения уравнений Максвелла [Л. 7] или моделированием, например, в элек­ тролитических ваннах [Л. 4].

Источниками переменного магнитного поля при испы­ таниях методом вихревых токов служат катушки индук­ тивности, по которым протекает переменный ток.

1-2. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Формы и размеры катушек индуктивности, используе­ мых в качестве датчиков при индукционном контроле, определяются назначением аппаратуры, размерами и формой объекта испытаний.'

Для интегральной оценки структурного состояния ма­ териала протяженных деталей используются проходные катушки, а для локального контроля отдельных участков деталей — накладные катушки.

В приборах с накладными датчиками применяются катушки индуктивности без сердечников и с сердечника­ ми из магніітодиэлектрнческих материалов, например

12

ферритов. Использование катушек с сердечниками по­ зволяет создать высокочувствительные приборы с датчи­ ками диаметром 1 — 1,5 мм. Во многих работах, например [Л. 13, 68], идет речь о катушках без сердечников. Умень­ шение диаметра этих катушек сопряжено с резким усложнением измерительной схемы. Однако анализ тео­ рии этих катушек позволяет выяснить основные законо­ мерности распространения электромагнитного поля.

Для индукционного контроля важны поля в ближней зоне, ограниченной расстоянием, значительно .меньшим, чем длина пол­ ны X электромагнитного поля в воздухе:

не учитывать.

Напряженность поля H в центре длинной катушки, обтекаемой

поля в разных точках пространства описываются весьма сложными уравнениями, решения которых выражаются через эллиптические, интегралы первого и второго рода. Значения их находят в спе­ циальных таблицах [Л. 33].

Весьма важен характер изменения поля вдоль оси катушки. Напряженность магнитного поля по оси дисковой катушки и

напряженность магнитного поля вихревых токов определяются по формуле

женность поля уменьшается медленнее. На расстоянии, равном

13