Металл в электромагнитном поле

Обновлено: 29.04.2024

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Полетаев Владимир Алексеевич, Потемкин Дмитрий Александрович

Рассматривается проблема влияния магнитного поля на механические свойства металла . Описан процесс, который может возникнуть в металле под действием магнитного поля . Приведены данные по изменению плотности дислокаций в металле под действием магнитного поля .

Текст научной работы на тему «Энергетический анализ влияния магнитного поля на механические свойства стали»

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ

ПОЛЕТАЕВ В. А., д-р техн. наук, ПОТЕМКИН Д. А., асп.

Рассматривается проблема влияния магнитного поля на механические свойства металла. Описан процесс, который может возникнуть в металле под действием магнитного поля. Приведены данные по изменению плотности дислокаций в металле под действием магнитного поля.

Ключевые слова: магнитное поле, магнитная анизотропия, механические свойства металла, импульсная магнитная обработка.

POWER ANALYSIS OF MAGNETIC FIELD INFLUENCE ON STRESS-STRAIN PROPERTIES OF STEEL

POLETAYEV V.A., Ph.D., POTYOMKIN D.A., postgraduate

The article deals with the problem of magnetic field influence on stress-strain properties of metal. It describes the process occurring in metals under the magnetic field action. The data on changes in metal dislocation density under magnetic action are listed.

Key words: magnetic field, magnetic anisotropy, stress-strain properties of metal, impulse magnetic treatment.

Проблема влияния магнитного поля на механические свойства металла тесно связана с процессами, происходящими при намагничивании магнетиков. Достаточно заметно это влияние проявляется в магнитомягких материалах с Нс < 3,5 А/м. В этом случае можно создать увеличение магнитного поля с напряженностью Н0 >>НС.

Технически достижимо даже при отсутствии специального охлаждения с помощью соленоидов получить магнитное поле напряженностью Н0 ^105 + 106 А/м. В конкретном случае при обработке магнитным полем пильчатой гарнитуры чесальных машин поле Н; внутри зуба уменьшается не более чем на порядок. Это дает объемную плотность магнитной энергии ^5 ^105^106Дж/м3. Данная величина является основной для сравнения с другими энергетическими показателями процесса намагничивания, в частности: энергией магнитной анизотропии; энергией магнитострикции; энергией доменных стенок; энергией границ зерен; энергией дефектов и дислокаций 5. Сравнение плотностей этих видов энергии с плотностью магнитной энергии W0 дает возможность выявить основные причины и механизм влияния магнитного поля на механические свойства магнетика (металла).

Магнитная анизотропия определяется мерой энергии, которая необходима для поворота вектора намагниченности от трудной к легкой оси намагничивания кристалла. Порядок этой величины определяется константой К1 = (3^5)-104Дж/м3 (для углеродистой стали с содержанием углерода 1 %). Если исходить только из соотношения энергий W0 и энергии анизотропии Wa, то, поскольку W0 >> Wa, насыщение, безусловно, должно достигаться. Проверка кривой намагничивания на участке насы-

щения на линейность (парапроцесс) дает возможность определить влияние магнитного поля на дислокации (дефекты). Считается [5], что именно на этом участке намагничивание идет за счет разрушения (размножения) дислокаций при вращении вектора (спинов) спонтанной намагниченности.

Основным процессом, который может привести к разрушению межзеренных (межблочных) границ, является процесс вращения однодоменных зерен мартенсита [3]. Если обозначить через г3 радиус зерна, Игр - толщину его границы, у « еху и еХ2 и еу2 - деформацию сдвига, то отношение максимальной энергии вращения к поверхностной энергии будет определяться формулой 4 2

Л = В| Цзп г3 = в|И|Гз

\Л/П 20 у 24пГз2Иф О у2 3Иф

При В; = 1 Тл, Н; = 106 А/м, у2 = 10-7, Игр = 10-5 м, г3 = 10-4 м, С = 1010 Н/м2 получается, что W0/Wn = 1, т.е. магнитная энергия вращения и энергия сдвига будут одного порядка. Если заменить модуль сдвига С модулем Юнга, то W0 и Wп будут одного порядка при условиях углового рассогласования в несколько минут. Из формулы (1) видно, что решающее влияние на соотношение энергий оказывает величина углового сдвига у между решетками зерен (фрагментов, блоков). Полученные данные говорят о высокой вероятности этого процесса, который, очевидно, является необратимым, так как связан с разрушением граничной структуры.

Другим аналогичным механизмом внутренних изменений структуры является разрушение границ зерен, блоков и фрагментов при движении доменных стенок. Давление, которое оказывает стенка на границу, определяется

плотностью магнитной энергии в единице объема W0 = БД [2]. Оценка плотности упругой энергии границы определяется величиной Егр = Су0, где у0 - угол разориентирования (деформация сдвига) решеток соседних зерен (субзерен, блоков); С - модуль сдвига. Угол разори-ентирования зерен очень различен. Если для углеродистой стали С = 1010 МПа, то для зерна с углом разориентирования у0 и 3° и 0,05 рад. Егр = 2,7-107 Дж/м3.

Явление магнитострикции означает возникновение механических (упругих) напряжений, приводящих к изменению линейных размеров и объемов магнетика. Если сопоставить это явление с наклепом, то необходимо сравнить магнитострикционное напряжение ат. с пределом текучести а0.. Принимая а0. = 400 МПа,

сравним эту величину с ат. =-^-, где

Ет = ЕX2 - энергия магнитострикции; X - относительное удлинение; Е - модуль Юнга, равный 200 МПа.

Полагая X = 10-5^10-6, находим, что ат. = Е X = 2МПа. Из этого следует, что даже

при максимальной величине X = 10-5 величина ат. меньше а0. на два порядка. Однако следует

учесть, что величина X определяется напряжением сжатия (растяжения). Если ее сравнивать с напряжением сдвига ат., то, поскольку модуль

сдвига на 1-2 порядка меньше модуля Юнга, получается, что эти величины могут быть близки. Необратимые изменения структуры, связанные с движением и размножением дислокаций, определяются именно сдвиговыми напряжениями, которые в силу специфической структуры металла всегда сопутствуют любой деформации сжатия и растяжения.

Как известно [4], сочленение блоков друг с другом происходит посредством дислокаций с энергией магнитного давления. Следуя [4], определим энергию краевой Е0 дислокации на единицу длины:

где Ь - вектор Бюргерса; ц - коэффициент Пуансона; !й - длина дислокации; г0 - размер ядра дислокации.

Длину дислокации можно принять равной радиусу зерна, т.е. !й = г3, так как длина дислокации ограничивается размерами кристаллита. Принимая Ь =10-10м, 2г3 = !й = 10-5м, г0 =5-10-10 м,

Е0!й/Ы = 0,4 -10-22 Дж/м3.

получаем, что энергия краевой дислокации на единицу длины равна е0 = 0,33-10-10 Дж/м. Число атомов в ядре дислокации равно ц = !й пг0!/а3 =7,5106 при а =10-10. Энергия одной дислокации равна Е0!й. Тогда энергия дислокации, приходящаяся на один атом, определяется следующим образом:

Магнитная энергия, приходящаяся на один атом, определяется как:

Wo/N = 106/2 1030 = 0,5 10-24 Дж/м3. (4)

Таким образом, плотность энергии в ядре дислокации примерно на два порядка превышает плотность магнитной энергии. Со статистической точки зрения это означает, что примерно одна из 100 дислокаций может заметно передвигаться за счет давлений магнитного поля. Энергия винтовой дислокации примерно в три раза меньше энергии краевой дислокации. Поэтому вероятность ее движения соответственно выше, чем у краевой. Кроме того, энергетический объем дислокации не ограничивается ее ядром. Он существенно больше, и потому гипотеза о воздействии поля на дислокацию представляется вполне оправданной.

Что касается дефектов (вакансий), то

энергия их миграции не менее 1,4-10" Дж. Сравнение этой величины с магнитной энергией, приходящейся на один атом

(Л = 0,5-10-20Дж/м3), показывает, что эти величины несравнимы, когда энергия на один атом уменьшится на порядок. Например, теп-

ловая энергия на один атом равна —кТ, где

к = 1,410-23 - постоянная Больцмана. Из этого следует, что энергия при закаливании (закалка) сравнима с энергией точечных дефектов.

Кроме оценок по энергии, целесообразно сравнить напряжения, создаваемые дислокациями, с магнитным давлением. Оценка напряжения, создаваемого дислокацией, дается следующим отношением:

Сравнение с магнитным давлением (Рт = W0 = 105 Па) показывает, что магнитное давление может существенно превышать локальные напряжения дислокаций и приводить к их разрушению.

Вклад дислокаций в упрочнение оценивается по формуле [5]

где т0 - начальное напряжение движения дислокаций (сдвиговое); к - коэффициент пропорциональности; Ь - вектор Бюргера; р - средняя плотность дислокаций; С - модуль упругости.

Полагаем ртах = 1018 м-2, ттах = а0 = 400 МПа. Тогда, поскольку ттах >> т0, то

Тогда при минимальной плотности дислокаций р = 1012 м-2 получаем, что

ттах = кСЬТР = 0,4• 1010 • 1010 • 106 = 0,4 МПа.

Эту величину можно принять за т0. В итоге формулу (6) можно заменить на формулу

где Атт1п = т0; Аттах = ст0.

По аналогии формулу для оценки влияния магнитного поля можно записать в виде

где Кн - новый коэффициент.

Вывод этой формулы состоит в следующем. Объемная плотность магнитной энергии W0 определяется формулой *=^

Энергия сдвига равна Wz = С уд = туд.

Очевидно, что влияние магнитного поля возможно, если ВН/2 «ту0. Отсюда т = ВН/у0 • 2 ,

если Втах = 2 Тл, то т = Н/у0 и Н = КнС^ТР , где

При ртп = 10 имеем Н = К у0 • 10 , получается довольно малая величина магнитного поля, при котором возможен эффект упрочнения.

Из этих сугубо приближенных оценок можно сделать вывод, что с точки зрения влияния магнитного поля на механические свойства металла наиболее вероятен механизм размножения дислокаций под действием магнитного давления.

Для подтверждения проведенных выше расчетов был проведен рентгеноструктурный анализ образцов из стали 65, обработанных импульсным магнитным полем. Образцы стали 65 с исходной структурой зернистого перлита были закалены в масле до структуры мартенсита при следующих режимах импульсной магнитной обработки: напряженность магнитного поля - 500 и 300 кА/м; количество импульсов - 5, 15, 30, 60 и 180; длительность импульсов - 1 с; интервал между импульсами - 1 с.

Анализ графиков изменения плотности дислокаций металлических образцов из стали 65, обработанных разной напряженностью магнитного поля (рис. 1), показывает, что величина плотности дислокаций изменяется в зависимости от количества импульсов.

Наибольшая плотность дислокаций в поверхностном слое деталей возникает при количестве импульсов = 5.

Рис. 1. Изменение плотности дислокаций на поверхности металла: 1 - Н = 300 кА/м; 2 - Н = 500 кА/м

При послойном снятии металла с поверхности образцов, обработанных импульсным магнитным полем, установлено, что глубина изменения плотности дислокаций (рис. 2) находится в пределах 60^120 мкм в зависимости от величины напряженности магнитного поля.

Рис. 2. Изменение плотности дислокаций при послойном снятии металла (количество импульсов - 5):1 -Н = 300 кА/м; 2 - Н = 500 кА/м

Исследования показали, что импульсная магнитная обработка влияет на механические свойства металлов.

1. Вонсовский С.В. Магнетизм. - М.: Наука, 1984.

2. Преображенский А.А. Теория магнетизма, магнитные материалы и элементы. - М.: Высш. шк., 1972.

3. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л.

Физические свойства металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1980.

4. Мишин Д.Д. Магнитные материалы: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1991.

5. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения: Пер. с японского. - М.: Мир, 1987.

Полетаев Владимир Алексеевич,

Потемкин Дмитрий Александрович,

Взаимодействие электромагнитного поля с различными металлами.

Свойства различных агрегатных состояний вещества, химические превращения, электрические, магнитные и оптические явления определяются электромагнитным взаимодействием.

Электромагнитную природу имеет явление сверхпроводимости (сверхпроводимость - полное отсутствие сопротивления постоянному току у многих металлов и металлических сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю).
Электромагнитную природу имеет и явление сверхтекучести (сверхтекучесть - это свойство жидкого гелия протекать без трения сквозь тонкие капилляры и щели при температуре, ниже 2,17К).
Кроме того:
электроника, направление, охватывающее исследование взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твёрдых телах при криогенных темп-pax (ниже 90К) и создание электронных приборов на их основе. В крио-электронных
приборах используются различные явления: сверхпроводимость металлов
и сплавов, зависимость диэлект-рич. проницаемости нек-рых диэлектриков
от электрич. поля, появление у металлов при Тпри аномально высокой подвижности электронов проводимости и др.

Электромагнитным взаимодействием обусловлены упругое и неупругое рассеяние электронов, позитронов и мюонов, процессы расщепления ядер фотонами и др.

Проявление электромагнитного взаимодействия широко используется в электротехнике, электронике, оптике, квантовой электронике.

Таким образом, электромагнитное взаимодействие обуславливает подавляющее большинство явлений окружающего нас мира.

Приглашаю вас принять участие в дискуссии. Возможно, мы придем к общему знаменателю)))

Взаимодействие электрического поля в основном (на 99%) связано со свободными электродами в металле. Электростатическое поле перемещает свободные электроны так, чтобы электрический потенциал во всех точках куска металла был одинаковым.
Электромагнитные волны (фотоны), попадая в металл взаимодействуют с электронами. И тут три варианта. Либо фотон рассеется на электроне (отразится), либо поглотится электронами и ионами решётки (нагревание), либо выбьет электрон из металла (фотоэффект).

Главное тут надо понять, что электромагнитное поле это измененное посредством разницы потенциалов (электрического тока) магнитное поле Земли. Например есть магнит у него магнитное поле, приложили разницу потенциалов, посредством провода с током. и магнитное поле Земли становится уже эл магнитным ВДОЛЬ провода. Тоже самое и катушка с током, которая является полным эквивалентом магнита. Магнит по разному взаимодействует с веществами, но абсолютно все вещества в природе имеют реакцию на эл магнитное поле. По степени реакции электро магнитного поля на вещества их делят на ферромагнетики - они притягиваются к магниту, например железо. парамагнетики, они отталкиваются от магнита, например медь. Это не значит что ферромагнетик только притягивает, а парамагнетик только отталкивает, это значит что одно доминирует над другим. Так как не существует притяжения без отталкивания, как плюса не существует без минуса. При определенных условиях доминанта может меняться как в одну так и в другую сторону и ферромагнетик может стать парамагнетиком и наоборот. Следовательно и разное воздействие эл магнитного поля на разные металлы

Один в магнитном поле воен Оракул (79572) Вы с чем то не согласны? Конкретно с тем то тем то потому и посему. Или на глупом "замечании" расходимся ?

Вообще -то ты, ДЕРЬМО, переходишь границы.

Почто пишешь свои бред тупого идиота ШКОЛЬНИКУ.? Он небось начнёт нести эту ахинею на уроке - и вылетит с двойкой.

Впрочем, может и правильно. Школьник, колторый поверит в бред такого невообразимо тупого полудурка как ты - и сам придурок!

Один в магнитном поле воен Оракул (79572) Верит не верит. Люди САМИ РАЗБЕРУТСЯ где правда а где ложь. Это понятно ?

Источниками электромагнитных полей (ЭМП) являются: атмосферное электричество, радиоизлучения, электрические и магнитные поля Земли, искусственные источники (установки ТВЧ, радиовещание и телевидение, радиолокация, радионавигация и др.). Источниками излучения электромагнитной энергии являются мощные телевизионные и радиовещательные станции, промышленные установки высокочастотного нагрева, а также многие измерительные, лабораторные приборы. Источниками излучения могут быть любые элементы, включенные в высокочастотную цепь.

Токи высокой частоты применяют для плавления металлов, термической обработки металлов, диэлектриков и полупроводников и для многих других целей. Для научных исследований в медицине применяют токи ультравысокой частоты, в радиотехнике — токи ультравысокой и сверхвысокой частоты. Возникающие при использовании токов высокой частоты электромагнитные поля представляют определенную профессиональную вредность, поэтому необходимо принимать меры защиты от их воздействия на организм.

Токи высокой частоты создают в воздухе излучения, имеющие ту же электромагнитную природу, что и инфракрасное, видимое, рентгеновское и гамма-излучение. Различие между этими видами энергии — в длине волны и частоте колебаний, а значит, и в величине энергии кванта, составляющего электромагнитное поле. Электромагнитные волны, возникающие при колебании электрических зарядов (при прохождении переменных токов), называются радиоволнами.

По отношению к магнитному полю металлы (точнее, все вещества) делятся на три категории - диамагнетики (магнитная проницаемость меньше 1), парамагнетики (магнитная проницаемость больше 1, но ненамного), и ферромагнетики (магнитная проницаемость очень большая, может быть и миллион).
Пара- и диамагнетики на магнитное поле реагируют очень слабо, поэтому с постоянным магнитом трудно что-нибудь заметить.
Но вот переменное электромагнитное поле ещё и наводит токи в металлах. И эти токи сами создают магнитное поле, и его взаимодействие с исходным хорошо заметно. Фаза наведённого тока всегда такая, что поле, созданное этим током, отталкивается от наводящего электромагнитного поля. Поэтому, например, алюминиевый сердечник, вставленный в катушку, уменьшает её индуктивность (хотя алюминий парамагнетик, должен увеличивать её индуктивность, его проницаемость больше 1).

Магнитное поле и металлы Однородное магнитное поле тока Сила индукция магнитного поля ⁠ ⁠

ВНИМАНИЕ! В связи с новой волной пандемии и шумом вокруг вакцинации агрессивные антивакцинаторы банятся без предупреждения, а их особенно мракобесные комментарии — скрываются.

Основные условия публикации

- Посты должны иметь отношение к науке, актуальным открытиям или жизни научного сообщества и содержать ссылки на авторитетный источник.

- Посты должны по возможности избегать кликбейта и броских фраз, вводящих в заблуждение.

- Научные статьи должны сопровождаться описанием исследования, доступным на популярном уровне. Слишком профессиональный материал может быть отклонён.

- Видеоматериалы должны иметь описание.

- Названия должны отражать суть исследования.

- Если пост содержит материал, оригинал которого написан или снят на иностранном языке, русская версия должна содержать все основные положения.

Не принимаются к публикации

- Точные или урезанные копии журнальных и газетных статей. Посты о последних достижениях науки должны содержать ваш разъясняющий комментарий или представлять обзоры нескольких статей.

- Юмористические посты, представляющие также точные и урезанные копии из популярных источников, цитаты сборников. Научный юмор приветствуется, но должен публиковаться большими порциями, а не набивать рейтинг единичными цитатами огромного сборника.

- Посты с вопросами околонаучного, но базового уровня, просьбы о помощи в решении задач и проведении исследований отправляются в общую ленту. По возможности модерация сообщества даст свой ответ.

Наказывается баном

- Оскорбления, выраженные лично пользователю или категории пользователей.

- Попытки использовать сообщество для рекламы.

- Многократные попытки публикации материалов, не удовлетворяющих правилам.

- Нарушение правил сайта в целом.

Окончательное решение по соответствию поста или комментария правилам принимается модерацией сообщества. Просьбы о разбане и жалобы на модерацию принимает администратор сообщества. Жалобы на администратора принимает @SupportComunity и общество пикабу.

По правилам сообщества Наука | Научпоп видео должны иметь небольшое текстовое описание того, о чём оно повествует. Это сделано для удобства читателей. Пожалуйста, отредактируйте пост и добавьте описание.

Что-то спать захотелось

Автор, вам бы описание товаров на Али писать.

Эффект тот-же самый:)

Блин, чувак, чего с речью у тебя, слушать тяжело.

Сначала вы говорите, что медь отталкивается от магнитного поля, а потом показываете это ни как не объясняя:

Он там дрочит чтоли? Слушать невозможно.

"Вихревые токи, или токи Фуко́ — объёмный электрический ток, возникающий в электрических проводниках" - википедия.
Умники и умницы, досмотрите ролик до конца где показана та же реакция с камнями. А камни это не металлы, то есть не проводники. А реакция ТА ЖЕ. То есть если вы и слышали где то за токи Фуко. То не стоит так явно блистать "глубиной" ваших знаний.

Первый раз имея дело с неодимовыми магнитами размером с шайбу получил два синих пальца. Подумать не мог, что они блин как пылесосы притягиваются уже с полуметра :))

Видео не полностью соответствует заголовку, вернее совсем не соответствует. Без описания совсем не дается представления об индуктивности, магнитной индукции.

Магнит, ну надо же. Срочно в УФН.

Всем спасибо за просмотр, всем всего хорошего и до свидания!

В роли диктора и ведущего нашей шоу-программы был Игорь Маменко - артист эстрады, пародист, юморист.

Откуда берутся атомы?⁠ ⁠

Материя в том виде, как она есть и известна нам, состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Комбинации атомов порождают целостные материалы, а атомы разных элементов отличаются друг от друга по ряду параметров.

Сами атомы тоже состоят из субатомных частиц, о которых я уже многократно рассказывал на канале. Но наиболее частый вопрос тут - это не как устроен атом, а откуда вообще атомы берутся?

Мы оказываемся тут где-то на границе мироздания. Нужно или принять, что всё существовало вечно, или допустить что не из чего вдруг родились первые колебания некоторой субстанции (будь то эфир или квантовое поле сейчас неважно), или же просто проанализировать технический характер появления материальных частиц. Давайте рассмотрим появления атома, исходя из имеющихся научных представлений.

Кстати, следующий вопрос, который тут напрашивается - появляются ли новые атомы или вся материя была создана один раз и теперь постоянно превращается из одного варианта в другой, а её количество определяется законом сохранения? Это интересный вопрос, но как говаривал один усатый дядька - "это уже совсем другая история".

Про природ материи как таковой советую посмотреть мой ролик на тубе. Отчасти там есть ответ на рассматриваемый вопрос.

Появление атомов в научных фильмах

В фильмах от Discovery обычно повествование строится следующим образом:

В первые три минуты существования Вселенной образовались ядра атома водорода - это простейший и легчайший атом. Следом за ним образовались ядра атома гелия. Остальные атомы образовались путём их соединения при повышенной температуре.

Вселенная после появления достигла температур, при которых стали происходить процессы захвата отрицательно заряженных электронов массивными протонами. Это формировало тот атом, который мы привыкли видеть.

После появления простых элементов, традиционного водорода и гелия, появляются более крупные элементы. Они образуются преимущественно в результате столкновения более мелких элементов, что известно как ядерный синтез. Столкновение с нужным количеством энергии рождает новые частички.

Некоторые типы атомов образуются в результате разложения очень больших нестабильных атомов. Этот процесс распада на части известен как ядерное деление.

Вроде бы и можно считать это некоторым ответом, но информации слишком мало. Например, откуда взялись сами протоны, нейтроны и даже электроны?

Откуда взяли запчасти?

Ещё Ломоносов исходил из того, что, говоря современным языком, в силу научного незнания мы должны принять вечное существование субатомных частичек. Но физики всё же высказывают разные варианты механизма появления субатомных частичек.

Многие считают, что во главе угла стоял электрон, который стал базой для формирования более сложных частиц. Тут уместно отметить, что по существующим сейчас представлениям сам электрон является не материей в прямом смысле этого слова и не может быть представлен, как мячик, а является флуктуацией волновой функции.

Иными словами - электрон есть энергия. Что приводит к банальному выводу - любая материя состоящая из атомов является энергией в определенной её форме и сам атом появился как результат взаимодействия энергии с пространством. Про это подробно рассказывается в моей заметке про отличие модели атома Шрёдингера.

Как сами электроны могли стать базой для появления атома?

По модели формирования протонов и нейтронов из электронов по мере увеличения их концентрации под действий внешних воздействий увеличивается энергия электронов, что и приводит к формированию субатомных частиц и потом уже самих атомов.

Этот процесс по-научному принято именовать конденсацией материи. Говоря просто - существовала плазма из которой конденсировались первые частички под действием огромного давления и высокой температуры. После формирования субатомных частичек закрутился карусель и пошёл бесконечный процесс превращения одного в другое. Частичек было огромное изобилие. Среди них и такие специфические, как например, нейтрино.

Когда некоторое количество материи образовалось и механизм был уже запущен, естественные процессы типа диффузии, привели нас к той материи и тому разнообразию атомов, которые мы получили сегодня. Правда тут ещё стоило бы обсудить сразу и темную материю.

Ну а всех, кто дочитал статью, приглашаю подписаться на мой канал в телеге :)

Откуда берётся отражение?⁠ ⁠

Из лекции А.Чирцова:

Откуда берётся изображение девушки в зеркале когда она смотрится в зеркало? Это сложный вопрос. Нет, ну конечно лучи света отражаются, но мы же знаем, что никаких лучей света нет, это выдумка. А есть электромагнитные волны. Мы конечно будем рассматривать не пакет волн которые бегут от девушки во все стороны, а всего лишь одну плоскую монохроматическую волну.

И вот это зеркало. Представим себе, что бежит плоская монохроматическая волна. Я её нарисую по школьному в виде косинусоиды. Вот она дошла до зеркала. И что дальше? За зеркалом есть свет? Нет. Поэтому вроде бы волна должна на зеркале оборваться. Чушь. На зеркале волна оборваться не может. Потому что зеркало состоит из атомов, а атом состоит из ядра. А если мы увеличим ядро до такого размера (показывает примерно 2 см), то электрон надо будет нарисовать где-то в районе Невского проспекта. А между ними пусто. Поэтому зеркало это практически вакуум. И поэтому волна от девушки пройдёт сквозь зеркало как через вакуум. Это и есть вакуум.

Всё дело в том, что в зеркале есть слой металла, в котором могут бегать свободные электроны.И вот тогда под действием этого меняющегося поля электроны в каждой точке зеркала начинают бегать взад вперёд. И каждый электрон излучает вот это ломающееся поле которое мы рисовали и излучает электромагнитные волны вот так - в разные стороны. И все эти волны, которые излучают электроны сюда, складываются в волну, которая идёт точно в противофазе от падающей волны. И в результате по ту сторону зеркала мы наблюдаем темноту. Не из-за того что свет туда не прошёл, а из-за того что электроны сгенерировали ещё одну волну, которая полностью погасила исходную. За зеркалом распространяется больше света, чем падает на него. Только эти два излучения друг друга гасят. Из симметрии понятно, что электроны излучают не только сюда. И в обратную сторону. И бежит ещё одна волна симметричная этой, но в другую сторону. И вот теперь смотрите, здесь исходная и гасящая волны бегут в одну сторону и в сумме дают ноль. А здесь падающая бежит сюда. а эта бежит в другую сторону и нуля не получается. Так формируется отражённая волна.

Поэтому дорогие девушки, когда вы смотритесь в зеркало, знайте, что там находитесь вовсе не вы. Вы видите вторичные электромагнитные поля, которые генерируются электронами, которые раскачены отражённым от вас светом. Вы нужны только для того чтобы раскачать электроны.

Если убрать вас от зеркала за время меньшее чем 10 в минус десятой степени секунды, электроны ещё некоторое время будут качаться и ваше изображение будет жить в зеркале. А если вас убрать, а электроны как-нибудь заставить качаться как они качались при вас, то ваше изображение заморозится в зеркале. Такие технологии существуют. Это называется голография.

Кстати, свет не проходит сквозь кирпичную стенку только потому что электроны стенки раскачиваются и генерируют гасящую волну. Но в течение примерно 10 в минус 10 степени секунды электроны стенки не успевают раскачаться и поначалу свет проходит сквозь стенку. Другое дело, что лампочка разгорается медленно, она разгорается одну десятую секунды. Пока она разгорается стенки теряют прозрачность. Современные лазерные импульсы имеют фронт порядка 10 в минус 16 степени секунды, что примерно на 3-4 порядка меньше, чем время раскачивания атомов и поэтому короткие и сверхкороткие импульсы проходят сквозь стенку. Это хорошая идея лазерной томографии.

Взаимодействие импульсных электромагнитных полей с поверхностями металлических образцов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Павлюченко В. В., Дорошевич Е. С.

Проведены измерения величины максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля Hτm на поверхности образцов из металлов в зависимости от времени нарастания одиночных импульсов тока в виде полусинусоиды линейного токопровода, а также величины этой составляющей в зависимости от толщины образцов из алюминия. Найдены временные диапазоны разрешения электрических и магнитных свойств, а также дефектов сплошности образцов по глубине. Получены эмпирические формулы зависимости Hτm от толщины образцов и найдена их связь с эффективной глубиной проникновения магнитного поля в металл.

INTERACTION OF IMPULSE ELECTROMAGNETIC FIELDS WITH SURFACES OF METAL SAMPLES

Measurements of maximum tangential component of magnetic intensity H τm have been carried out in the paper. The measurements have been taken on the surface of metal samples according to time of single current pulse rise in the form of semi-sinusoid of a linear current wire. Measurements have been made with the purpose to determine a value of the component according to thickness of samples made of aluminium. Temporary resolution ranges of electric and magnetic properties and defects of sample continuity along the depth have been found. Empirical formulae of dependence H τm on sample thickness have been derived and their relation with efficient depth penetration of magnetic field into metal has been found.

Текст научной работы на тему «Взаимодействие импульсных электромагнитных полей с поверхностями металлических образцов»

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С ПОВЕРХНОСТЯМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ

Инженеры ПАВЛЮЧЕНКО В. В., ДОРОШЕВИЧЕ. С.

Белорусский национальный технический университет

Электромагнитная волна, падающая на поверхность металлического образца, частично отражается от этой поверхности, а частично проходит в глубь образца. Коэффициент отражения от металлической поверхности зависит от частоты падающей электромагнитной волны, электропроводности металла, состояния поверхности образца и других факторов.

Процесс проникновения электромагнитного поля в электропроводящую среду для случая падения на поверхность проводящего полупространства плоских синусоидальных электромагнитных волн рассмотрен в 3. Так, согласно [1], волновые числа к и 5 отраженной и проходящей электромагнитных волн с введением новых обозначений (СИ) представлены следующими выражениями:

где в0 и ц0 - электрическая и магнитная постоянные соответственно; в и ц - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды; ю - циклическая частота электромагнитных волн; с -удельная электропроводность среды.

Далее, пренебрегая токами смещения для металлов, находят эффективную глубину проникновения тока в глубь образца

Используя эти формулы, можно по измеренным величинам напряженности магнитного поля, созданного на поверхности образца па-

дающей на него электромагнитной волной, определять электрические и магнитные свойства поверхностных слоев, бесконечно протяженных в глубину образцов. Однако для образцов конечной толщины они не могут дать точных результатов.

Целью настоящей работы является определение зависимостей максимальной напряженности магнитного поля на поверхности образцов из электропроводящих материалов от времени нарастания импульсов магнитного поля, толщины образцов и их электромагнитных свойств для контроля распределения по объему образца удельной электропроводности с, магнитной проницаемости ц и дефектов сплошности.

Исследования проведены на тиристорной установке с записью импульсов тока источника электромагнитного поля на осциллограф с послесвечением. Датчики магнитного поля были изготовлены на основе магнитного носителя. Информацию, записанную на датчике, считывали с помощью индукционной магнитной головки, выход которой подключали на вход осциллографа. По амплитуде сигнала на экране осциллографа, зависящей от величины полей рассеяния на поверхности датчика и пропорциональной его остаточной намагниченности, определяли величину максимальной напряженности магнитного поля, которое было приложено к датчику. Датчики магнитного поля предварительно градуировали в магнитных полях с заданными величинами напряженности. Анизотропия свойств датчиков магнитного поля позволяла с большой точностью измерять тангенциальную составляющую Нт магнитного поля для образцов из диа- и парамагнитных материалов. На образцы воздействовали полями одиночных импульсов тока линейного токопровода. Форма импульсов - полуси-нусоида.

На рис. 1 представлены зависимости отношения максимальной величины тангенциальной составляющей магнитного поля Нтт на поверхности металлического образца к максимальной величине тангенциальной составляющей магнитного поля Н0тт в отсутствие образца Нтт/Н0тт от времени нарастания ^ах импульса тока источника электромагнитного поля для образцов из алюминия толщиной: 1 -

6,7 • 10-4 м; 2 - 2,3 • 10-4; 3 - 7,0 • 10-5 м. Измерения проведены на удалении 5 • 10-5 м датчика от поверхности образца при максимальной величине тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля в отсутствие образца Н0тт = 1,73 • 104 А/м.

Из рис. 1 видны временные диапазоны At контроля свойств образцов из алюминия разной толщины й: (5-60) • 10-6 с для й = 7,0 • 105 м; (5-120) • 10-6 с для й = 2,3 • 10"4 м; (5-120) • 10-6 с и далее до 250 • 10-6 с из не вошедших в зависимость 1 на рис. 1 результатов измерений для й = 6,7 • 10-4 м. Зависимости 1-3 близки к обратно пропорциональным.

На рис. 2 представлены аналогичные зависимости Нтт/Н0тт от времени нарастания импульса ^ах для следующих листовых образцов: 1 - медь, й = 3,0 • 10~3 м; 2 - свинец, й = 2,0 • 10-3 м; 3 - сплав титана ВТ-2, й = 1,5 • 10-3 м; 4 - медь, й = 5,0 • 105 м; 5 - графит в виде трубы диаметром 1,0 • 10-1 м, й = 1,0 • 10-2 м.

Полученная зависимость Нтт/Н0тт от ^ах для листового образца из олова (й = 2,5 • 10-3 м)

практически сливается с зависимостью 2 для свинца (й = 2,0 • 10~3 м).

0 10 20 30 40 50 60 70

Из рис. 2 следует, что временной диапазон для образца из меди толщиной 3,0 • 10-3 м значительно превышает 70 • 10-6 с и согласно результатам, не вошедшим в этот график, распространяется до 500 • 10-6 с. Зависимость 3 (рис. 2) близка к зависимости 3 (рис. 1 ), т. е. изменение Нтт/Н0тт от времени нарастания импульса поля для образцов из свинца и олова толщиной соответственно 2,0 • 10-3 и 2,5 • 10-3 м приблизительно совпадает с аналогичной зависимостью для образца из алюминия толщиной 7,0 • 10-3 м. Диапазон контроля образцов из меди толщиной 3,0 • 10-5 м и сплава ВТ-2 толщиной 1,5 • 10-3 м - (3-30) • 10-6 с, а свинца и олова толщинами соответственно 2,0 • 10-3 и 2,5 • 10-3 м несколько шире - до 50• 10-6 с. Для графита толщиной 1,0-10-2 м этот диапазон составляет (5-15) • 10-6 с.

Известно, что на поверхности образцов из ферромагнитных металлов величина тангенциальной составляющей Нт постоянного магнитного поля линейного токопровода значительно меньше, чем величина Нт в этой точке в отсутствие образца, так как линии напряженности магнитного поля стремятся войти в образец нормально к его поверхности вследствие большой величины магнитной проницаемости ц таких образцов. При высоких частотах, т. е. при малом времени нарастания импульсов поля, ц уменьшается во много раз и становится порядка десятков и даже единиц. Несмотря на это и анизотропию свойств используемых датчиков магнитного поля, выделить из полного сигнала, снимаемого с датчика, сигнал, соответствую-

щий Нт, не просто. Поэтому при исследовании взаимодействия образцов из ферромагнитных металлов с импульсными электромагнитными полями линейного токопровода нами измерялась величина полного сигнала V, снимаемого с датчика магнитного поля. На рис. 3 изображены зависимости сигнала V от времени нарастания /шах одиночного импульса тока локального токопровода на поверхности ферромагнитных металлических образцов: 1 - упаковочное железо, й = 1,6 • 10-4 м; 2 - кровельное оцинкованное железо, й = 5,0 • 10-4 м; 3 - сталь 3, й = = 2,0 • 10-4 м; 4 - трансформаторная сталь, й = = 3,5 • 10-4 м. Величина действующего поля Н0тт = 4,0 • 104 А/м.

^ах • 10 6, С Рис. 3

Представленные на рис. 3 зависимости 1-4 характеризуют временные зависимости сигнала и, а также позволяют определить величины удельной электропроводности с и магнитной проницаемости ц материала образца на данной частоте (времени нарастания импульса). На основании этих данных, как и данных, представленных на рис. 1, 2, можно контролировать внутренние дефекты в образцах. Однако дополнительные исследования показали, что контролируемая толщина образцов в данном случае меньше, чем для неферромагнитных. Если для образцов из диа- и парамагнитных металлов достаточно большой толщины (вплоть до бесконечного полупространства) границей применения данного метода контроля является время нарастания импульса электромагнитного поля порядка одной или нескольких миллисекунд, то для образцов из ферромагнитных материалов диапазон измерений во много раз больше. Применяя датчики магнитного поля с низкими коэрцитивными силами, можно определять свойства и разрешать их по глубине об-

разца вплоть до низких частот, т. е. до времени нарастания импульса порядка нескольких секунд.

На рис. 4 представлены: 1 - зависимость максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля НТт на поверхности образца из алюминия от толщины образца для импульса тока в виде полусинусо-иды со временем нарастания ^ах = 5 • 10^ с, шкалы измерений (0-0,7) • 10-3 м и (150-275) х х102 А/м; 2 - то же, что и 1 для времени нарастания ^ах = 140 • 10^ с, шкалы измерений (0-3,5) • 10-3 м и (150-275) • 102 А/м; 3 - зависимость максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля источника в отсутствие образца Н0тт от расстояния х до оси источника поля, шкалы (0-0,7) х х10-3 м и (50-175) • 102 А/м; 4 - то же, что и 3 для шкал (0-3,5) • 10-3 м и (50-175) • 102 А/м.

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

й • 10 3, м Рис. 4

Уровень отсчета на рис. 4 х0 = 4 • 10-3 м от оси токопровода.

Из рис. 4 видно что, зависимости 1 и 2 поля НТт на поверхности образца от его толщины соответственно для ^ах = 5 • 10 с и ^ах = = 140 • 10-6 с хотя и схожи, но дают информацию об образце в разных диапазонах его толщин. Так, толщину образца из алюминия при воздействии на него импульсом поля с ^ах = = 5 • 10-6 с можно определить до й = 1 • 10-4 м с достаточно высокой точностью. При этом разрешение толщины не менее Н/й = 4,6 • 105 А/м2. Толщину образца из алюминия можно определять с помощью данного импульса с меньшей точностью до й = 7 • 10-4 м.

Воздействие на образец из алюминия импульсом поля tmax = 140 • 10-6 с позволяет контролировать его толщину до й = 3,5 • 10-3 м, причем с высоким разрешением не менее Н/й = = 5 • 104 А/м2 до й = 1 • 10-3 м.

Таким образом, вводя в соответствие длительности воздействующего импульса поля число строк разложения телевизионного индикатора (монитора), на экране можно получать изображение образца в сечении с определением его толщины, а также с получением другой информации об образце, например об объемных или локальных неоднородностях электропроводности и магнитной проницаемости образца и дефектах сплошности в нем.

Данные, представленные на рис. 4, позволяют определить зависимость коэффициента отражения котр магнитного поля от толщины образца й, что имеет практическое значение при разработке средств обнаружения объектов, защитных экранов от электромагнитных полей в разных частотных диапазонах, а также индукционных нагревательных устройств.

Принимая во внимание, что в точке контроля х = 0 в отсутствие образца Нтт = 150 • 102 А/м (зависимости 3 и 4), для образца из алюминия с й = 1,0 • 10-4 м получаем следующие коэффициенты отражения: котр = 0,65 при ^ах = = 5 • 10-6 с; 0,06 при 140 • 10-6с. Это соответствует коэффициентам увеличения поля ку = 1,65 и

С увеличением толщины образца коэффициенты отражения котр растут и стремятся к своим предельным значениям для бесконечно протяженного материала. Такие коэффициенты равны: котр тах = 0,78 при ^ах = 5 • 10-6 с и 0,62 при 140 • 10-6 с. Величины НТтах, равные

(1 - 1/е) Нттах пред, соответствуют НТтах5 =

= 74 • 102 А/м и НТтах140 = 59 • 102 А/м и толщинам образца 2,5 • 10-5 и 7,0 • 10-4 м.

Зависимости 1 и 2, представленные на рис. 4, достаточно точно описываются эмпирическими формулами:

Нхюах5 = 118 •Ю2 (1 - е-18200й ); (4)

Нтюах140 = 93 •Ю2 (1 - ) . (5)

Эти формулы можно обобщить и привести к следующему выражению:

Himax = H0(l - ebd), (6)

где b - коэффициент; Н0 - предельное поле вторичного источника, т. е. металлического образца, бесконечно протяженного в глубину:

Величина Н0 зависит от удельной электропроводности и магнитной проницаемости среды, а также времени нарастания импульса поля, b - от толщины образца.

Зависимости 1 и 2 (рис. 4) имеют наибольшее отклонение от экспоненциальных на начальных участках. До величины напряженности HT max = max пред Эти зависимости могут

быть с большой точностью описаны линейными функциями. Введем понятие тангенса а характеристического угла нарастания величины максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля (а - величина максимальной напряженности магнитного поля на поверхности металлического образца, созданная вторичным источником поля, т. е. индукционными токами в образце, и отнесенная к единице его толщины (в СИ на 1 м) при воздействии на образец изменяющимся во времени магнитным полем). Величина а пропорциональна усредненной по толщине образца плотности индукционных токов. Расчеты этого тангенса для начальных участков зависимостей 1 и 2, полученных соответственно при временах нарастания импульсов тока источника поля 5 • 10-6 и 140 • 10-6 с, приводят к следующим результатам: а5 = 1,9 • 106 А/м2; а140 = 9,0 • 104 А/м2, т. е. а5 = 21а140. Эффективные глубины проникновения магнитного поля в образец из алюминия, рассчитанные по (3) для указанных времен нарастания тока, равны: Д5 = 3,6 • 10-4 м; Д140 = 1,9 • 10-3 м, т. е. Д140 = 5,3Д5. Исходя из полученных результатов, находим взаимосвязь между эффективными глубинами проникновения магнитного поля в образец из алюминия Д1 и Д2 на частотах f1 и f2 (времена нарастания импульсов tmax1 и tmax2) и соответствующими им тангенсами а1 и а2 характеристических углов:

а2 = 0,75tmax2а2 = Q,7^^f1 а2. (8)

1. Получены экспериментальные зависимости отношения максимальной величины тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля на поверхности металлических образцов разной толщины, изготовленных из алюминия, меди, олова, свинца и сплава титана, к максимальной величине тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля в отсутствие образцов от времени нарастания одиночных импульсов тока в виде полусинусо-иды линейного токопровода в интервале времени (5-250) • 10^ с, а также зависимости величины сигнала, пропорционального тангенциальной и нормальной составляющим напряженности магнитного поля, для образцов из ферромагнитных металлов: упаковочное железо, кровельное оцинкованное железо, сталь 3 и трансформаторная сталь. Определены временные диапазоны разрешения электрических и магнитных свойств, а также дефектов сплошности по глубине и коэффициенты отражения электромагнитной волны от образцов.

2. Получены зависимости максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля на поверхности образцов из алюминия от толщины образцов при воздейст-

вии на них электромагнитным полем импульса тока в виде полусинусоиды, созданного линейным токопроводом со временем нарастания импульсов 5 • 10^ и 140 • 10-6 с. Найдены эмпирические формулы в виде экспонент зависимости величины максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля на поверхности образцов из алюминия от их толщины для их времен нарастания электромагнитного поля. Начальные участки данных зависимостей представлены линейными функциями, введено понятие тангенса характеристического угла нарастания величины максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля и найдена его связь с эффективной глубиной проникновения магнитного поля в металл.

3. Полученные результаты могут быть использованы при расчете электромагнитных полей, а также в дефектоскопии, медицине и при разработке конструкций индукционных нагревательных приборов и экранов для защиты от электромагнитных полей.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Тамм, И. Е. Основы теории электричества / И. Е. Тамм. -М.: Наука, 1976. - С. 483-487.

2. Кнопфель, Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля / Г. Кнопфель. - М.: Мир, 1972. - С. 65-76.

3. Установки индукционного нагрева / под ред. А. Е. Слу-хоцкого. - Л.: Энергоиздат, 1981. - С. 12-14.

Какие металлы, кроме железа, притягиваются магнитом?

Интересно

Возможность магнита притягивать к себе различные металлические предметы наверняка хорошо знакома каждому. Присутствие их в повседневной жизни остается практически незамеченным, например, в виде различных изображений на дверцах холодильника. Не говоря уже о применении магнитов в медицине и других отраслях. Как устроен магнит и какие вещества он притягивает, помимо железа?

Что такое магнит и как он устроен?

Магнит – это тело, которое обладает собственным магнитным полем. Магниты бывают нескольких видов:

Постоянные – изделия, которые после однократного намагничивания сохраняют данное свойство. Магниты разделяются на несколько подвидов в зависимости от силы и других параметров.
Временные – функционируют по принципу постоянных, но лишь тогда, когда располагаются в сильном магнитном поле. Например, изделия из так называемого мягкого железа (гвозди, скрепки и т.п.).
Электромагниты представляют собой провода, плотно намотанные на каркас. Как правило, такое устройство оснащено железным сердечником. Работает оно лишь при условии прохождения по проводу электрического тока.

Постоянный магнит – наиболее привычный и распространенный. Для его изготовления чаще всего используют следующие сочетания материалов:

неодим-железо-бор;
альнико или сплав ЮНДК (железо, алюминий, никель, кобальт);
самарий-кобальт;
ферриты (соединения оксидов железа и других металлов-ферримагнетиков).

Любой магнит имеет южный и северный полюс. Одинаковые полюса отталкиваются, а противоположные – притягиваются.

Интересный факт: магниты зачастую изготавливаются в виде подковы. Это делается для того, чтобы полюса располагались максимально близко друг к другу. Таким образом, создается сильное магнитное поле, которое способно притягивать более крупные части металла.

Почему магнит притягивает лишь определенные вещества?

Принцип его работы построен на создании магнитного поля при помощи движущихся электронов. В целом электрон является простейшим магнитом. А любая заряженная частица, находящаяся в движении, образует магнитное поле. Если движущихся частиц много, а их перемещение происходит вокруг одной оси, получается тело с магнитными свойствами.

Почему в таком случае магнит не притягивает все вещества подряд? В состав атома входит ядро, а также электроны, вращающиеся вокруг него. У электронов есть специальные уровни, по которым они вращаются, или орбиты. На каждом таком уровне расположено по 2 электрона. Причем вращаются они в разных направлениях.

Однако есть вещества под названием ферромагнетики. Некоторые электроны у них непарные. Соответственно, определенное их количество может вращаться в одном и том же направлении. Так создается магнитное поле вокруг каждого атома вещества.

Направление магнитного поля

К ферромагнетикам относятся такие металлы, как железо, кобальт, никель, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий. Также аналогичными свойствами характеризуются некоторые металлические сплавы и соединения. Количество ферромагнетиков неметаллического происхождения не так велико или пока мало изучено. К ним относится, например, оксид хрома.

Магнитной восприимчивостью характеризуются вещества (преимущественно металлы), которые обладают определенной структурой. Их называют ферромагнетиками – это вещества, у которых магнитные поля атомов складываются в одном направлении. Помимо железа, к ферромагнетикам относятся кобальт, никель, тербий, гадолиний, диспрозий, гольмий, эрбий. Также магнит притягивает некоторые сплавы и даже неметаллические вещества – например, оксид хрома.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Читайте также: