книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

Магнитно-проницаемая мишень с малой удельной электри­ ческой проводимостью

1. Ферриты характеризуются сочетанием большой магнитной проницаемости с малой удельной электрической проводимостью.

2.Вследствие малой удельной электрической проводимости феррита наведенные вихревые токи столь малы, что можно пре­ небречь явлением отражения энергии.

3.Вследствие большой магнитной проницаемости феррита увеличивается магнитный поток, порождаемый заданным током в катушке. Это возрастание отношения магнитного потока к току приводит к увеличению индуктивности измерительной катушки.

4.Когда измерительная катушка приближается к мишени, индуктивность катушки увеличивается, измерительный ток умень­ шается, причем изменившийся измерительный ток отстает от ис­ ходного измерительного тока на все возрастающий фазовый угол.

5.Указанные изменения представлены векторной диаграммой на рис. 13.3.

6.Информация, получаемая в результате измерения, ограни­ чена изменениями измерительного тока в сторону уменьшения по амплитуде и отставания по фазе. Изменения обоих видов зависят от размеров мишени и расстояния между измерительной катушкой и мишенью.

Проводящая мишень с малой магнитной проницаемостью

1.Неферромагнитные проводники характеризуются сочета­ нием большой удельной электрической проводимости с малой магнитной проницаемостью.

2.В теле из неферромагнитного проводящего вещества наводятся вихревые токи, которые обусловливают отражение сигнального тока обратно в измерительную катушку. Для задан­ ной измерительной катушки этот сигнальный ток всегда опере­ жает исходный измерительный ток.

3.Указанные величины представлены векторными диаграмма­ ми на рис. 12.2 и 12.11.

Индуктивная мишень с малой магнитной проницаемостью

1. Проволочные катушки из неферромагнитного проводящего вещества характеризуются сочетанием большой индуктивности с малой магнитной проницаемостью.

2.В катушке-мишени с индуктивностью Ь и резистивным со­ противлением /? наводятся вихревые токи. Для заданной изме­ рительной катушки отраженный сигнальный ток опережает ис­ ходный измерительный ток на фазовый угол, определяемый от­ ношением 2л/1/,//?. К этим условиям применима векторная диа­ грамма, приведённая на рис. 12.2.

3.Информация, получаемая в результате измерения, вклю­ чает изменения по амплитуде и опережение по фазе измеритель­ ного тока, а также характерную форму траектории конца вектора сигнального тока (см. рис. 12.5 и 14.2). Эту траекторию можно

Рис. 14.2. Векторная диаграмма при наличии сложной мишени. Фазовый угол между напряжени­ ем и током в измерительной ка­ тушке изменяется под влиянием как магнетонов, так и вихревых токов в сложной мишени

использовать для определения электрических характеристик мишени.

Мишень — резонансный контур

1. Мишень может представлять собой цепь из катушки с индуктивностью I, конденсатора с емкостью С и резистора с сопротивлением /?, соединенных последовательно. Ток, текущий в измерительной катушке, наводит напряжение в индуктивном элементе этого контура, в результате чего через все элементы его начинает протекать ток.

2.На резонансной частоте наведенный ток совпадает по фазе

снаведенным напряжением, на более низких частотах этот ток отстает от напряжения, а на более высоких частотах он опере­ жает напряжение.

3.Когда измерительная катушка приближается к мишени, изменившийся измерительный ток может либо отставать по фазе от исходного измерительного тока, либо опережать его и может быть больше по амплитуде либо меньше по амплитуде по срав­ нению с исходным измерительным током, в зависимости от соот­ ношения между частотой приложенного напряжения и резонанс­ ной частотой мишени.

Емкостная мишень с малой магнитной проницаемостью

1. Настроенный контур, работающий при частотах значитель­ но ниже резонансной и содержащий катушки, изготовленные из неферромагнитного вещества, характеризуется сочетанием боль­ шого емкостного сопротивления и малой магнитной проницае­ мости.

Мишень с большой магнитной проницаемостью и большой удельной электрической проводимостью 1. Ферромагнитные проводники характеризуются сочетанием

большой магнитной проницаемости с большой удельной электри­ ческой проводимостью.

2.Наличие пути магнитных силовых линий с большой маг­ нитной проницаемостью обусловливает увеличение индуктивности измерительной катушки.

3.Наведенные вихревые токи приводят к отражению сигналь­ ного тока обратно в измерительную катушку.

4.Измерительная катушка, взаимодействующая с мишенью, испытывает одновременное влияние большой магнитной прони­ цаемости и явления отражения энергии от вихревых токов. Это иллюстрируется векторной диаграммой на рис. 14.2.

14.2.СХЕМА ПЕРЕДАЧА-ПРИЕМ

Всхеме перекрещивающихся полей, или схеме передача — прием, передающая катушка взаимодействует с мишенью, а при­ емная катушка воспринимает энергию, отраженную от мишени.

Согласно уравнению (13.2) две катушки характеризуются не­ которой взаимной индуктивностью, если изменяющееся магнит­ ное поле одной катушки, связанное с изменениями тока в ней, сцеплено с другой катушкой. Чем сильнее поле, сцепленное с обеими катушками, тем больше взаимная индуктивность.

Поскольку магнитное поле характеризуется как абсолютной величиной, так и направлением вектора напряженности; взаим­ ная индуктивность катушек зависит от расстояния между ними, их относительного расположения и ориентации. Взаимная индук­ тивность фактически равна нулю, если приемная катушка ориен­ тирована таким образом, что ее ось перпендикулярна направле­ нию поля, создаваемого передающей катушкой.

Вследствие того что тороидальное магнитное поле обладает определенной кривизной, нулевую взаимную индуктивность полу­ чить невозможно, когда две катушки расположены близко одна к другой или же когда хотя бы одна из них имеет слишком боль­ шую протяженность вдоль оси. Однако, как показано на рис. 14.3, если обе катушки имеют не очень большую длину (по сравнению с диаметром) и удалены одна от другой на достаточно большое расстояние, а их оси направлены взаимно перпендику­ лярно, причем ось одной катушки параллельна плоскостям вит­ ков другой, то взаимная индуктивность катушек близка к нулю.

Но эти условия нулевого обмена энергией изменяются, когда в пространство, где могут существовать поля обеих катушек, помещен какой-либо магнитно-проницаемый или проводящий объект. Если этот объект обладает достаточной магнитной прони­ цаемостью, то будет искажена форма поля, окружающего при­

Рис. 14.5. Схема передача — прием с вращающейся мишенью. Если в магнитное поле передающей катушки помещена мишень, способная поворачиваться вокруг своей оси, то количество энергии, передаваемой от передающей катушки на мишень и от мишени на приемную катушку, зависит от ориентации мишени по отношению к передающей и приемной катушкам

шень, которая отражает поток энергии на приемную катушку. Векторы напряжений, описывающие этот процесс, представ­ лены на рис. 12.2. Сигнальный ток 1Х наводится непосредственно в приемной катушке, а не в самой измерительной катушке, как это происходит в системе с одной катушкой. Поэтому имеется возможность контролировать сигнальный ток непосредственно, а не косвенным способом, который неизбежен в однокатушечной

системе.

Поскольку передающая катушка может генерировать отно­ сительно большую мощность, не оказывая влияния на приемную катушку, обычно для обнаружения удаленных мишеней исполь­ зуют описанную схему передача — прием.

В системе, показанной на рис. 14.5, поворот мишени влияет на количество энергии, переносимой от передающей катушки на приемную. Энергию, поступающую на приемную катушку, можно прокалибровать в значениях угла поворота мишени.

14.3.ИНДУКЦИОННАЯ УРАВНОВЕШЕННАЯ СХЕМА

Виндукционной уравновешенной схеме пара катушек, на которую подается напряжение, используется для облучения

третьей катушки. Катушки указанной пары ориентированы таким образом, чтобы воздействия их магнитных полей на третью ка­ тушку характеризовались одинаковыми амплитудами и проти­ воположными фазами. Таким образом, в случае идентичности характеристик пары катушек передаваемая ими на третью ка­ тушку энергия будет равна нулю, и в третьей катушке не будет генерироваться напряжение.

Если же в поле одной из катушек пары поместить мишень, то ее электрические характеристики изменятся по сравнению с

Рис. 14.6. Индукционная уравновешен­ ная схема. Если магнитные поля двух первичных катушек симметричны, но противоположны по направлению, то их воздействия на вторичную катушку взаимно Компенсируются. Однако при внесении мишени в поле одной из пер­ вичных катушек симметрия этих полей нарушается, и на вторичную катушку передается энергия

другой катушкой пары (рис. 14.6). Тогда определенное коли­ чество энергии начнет передаваться от первичных катушек на вторичную, причем смещение этой энергии по фазе будет соот­ ветствовать асимметрии поля.

На векторной диаграмме, приведенной на рис. 12.2, сигналь­ ный ток 1Х показан как вторичный. Этот вторичный сигнальный ток можно здесь контролировать непосредственно, как в случае двухкатушечной системы с перекрещивающимися полями. Такой режим невозможен в одноступенчатой системе, где сигнальный ток вызывает изменение тока в измерительной катушке.

Описанная система с тремя катушками симметрична в том смысле, что энергия, передаваемая от одиночной катушки на пару катушек, соединенных противофазно, также равна нулю. Если две катушки, соединенные противофазно, используются для возбуждения третьей, одиночной катушки, то при равновесных условиях в одиночной катушке напряжение не генерируется. Если же одиночная катушка возбуждает пару противофазных катушек, то в каждой катушке пары по отдельности генерируются напряжения, однако при равновесных условиях ток в них не течет, так как эти напряжения противоположны по фазе.

Когда две катушки, соединенные противофазно, используются для возбуждения напряжения в третьей катушке, как показано на рис. 14.6, система называется индукционной уравновешенной схемой. Когда одна катушка используется для возбуждения напряжения в двух катушках, соединенных противофазно, как показано на рис. 13.10, система называется дифференциальным трансформатором.

Можно сконструировать системы с числом катушек больше трех для получения требуемых сложных структур поля с макси­ мальными размерами и напряженностями лепестков диаграммы излучения, имеющей заданную форму.

14.4. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МИШЕНИ

Очень слабые электрические токи, наводимые в земле, можно контролировать при помощи двухкатушечных систем с перекре­ щивающимися полями. Если удельная электрическая проводи­ мость земли более или менее постоянна, то удается обнаружи­ вать присутствующие в ней аномальные включения с удельной электрической проводимостью, существенно отличающейся от средней удельной электрической проводимости земли. Если систе­ ма питается от источника с низкой частотой и большой мощ­ ностью, то можно обнаруживать скопления каменистых пород, туннели, породы с особым химическим составом, фактически любые области, где происходят явления, обусловливающие зна­ чительные отличия удельной электрической проводимости данной области по отношению к окружающей ее среде.

Вследствие того, что магнитное поле земли характеризуется существенными пространственными изменениями, имеющими соб­ ственные закономерности, наличие аномальных областей опреде­ ляется по изменениям удельной электрической проводимости, а не по ее абсолютным значениям, когда измерительный прибор сканирует поверхность земли в соответствии с заданным раст­ ром. Пространственная форма изменений удельной электрической проводимости на этом растре выявляет расположение аномаль­ ных областей в глубине земли. На рис. 14.7 иллюстрируются из­ менения сигнала при движении прибора по такому растру. Сиг­ нальный ток 1Х уменьшается всякий раз, когда под приемной катушкой оказывается каменистая порода с относительной малой удельной электрической проводимостью вместо почвы, которая лучше проводит электрический ток.

Системы с высокочастотным питанием аналогичным образом обнаруживают малые по размерам, но достаточно отличающиеся по физическим свойствам аномальные области у поверхности земли. Эти методы положены в основу конструкции некоторых миноискателей для немагнитных мин. Однако, как указано выше, при высоких частотах наряду с изменениями магнитной прони­ цаемости и отраженной энергии следует учитывать и изменения диэлектрической проницаемости.

15.ДВИГАТЕЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Вгл. 10 объяснялось, каким образом генерируется напря­ жение между двумя концами проводящей проволоки, когда она движется в магнитном поле. При этом реализуется генераторная функция, связанная с преобразованием энергии механического движения в электрическую энергию.

Силы Лоренца, выражаемые уравнением (2.4), возникают вследствие того, что электроны проводимости перемещаются вместе с движущимися проводниками. Силы, приложенные к электронам, перпендикулярны направлениям магнитного поля и движения проволоки.

Во взаимно противоположном режиме работы описанной си­ стемы на проводящую проволоку, по которой течет электрический ток, действует поперечная сила, если проволока помещена в магнитное поле. При этом силы Лоренца, выражаемые урав­ нением (2.4), возникают вследствие того, что электроны проводи­ мости перемещаются как составная часть электрического тока. Здесь реализуется двигательная функция, связанная с преобра­ зованием электрической энергии в энергию механического движе­ ния. Опять же, силы, приложенные к электронам, а следовательно, и к проволоке, содержащей эти электроны, перпендикулярны направлениям магнитного поля и тока.

15.1. СТРУННЫЙ ГАЛЬВАНОМЕТР

Проводящая проволока с электрическим током, помещенная в магнитное поле, испытывает действие поперечной силы. Если концы проволоки закреплены, а средняя часть может свободно перемещаться, то проволока принимает форму цепной линии. Такое устройство, положенное в основу струнного гальванометра, показано на рис. 15.1.

Смещение проволоки зависит от напряженности магнитного поля, значёйия тока и натяжения проволоки. Если струнный гальванометр возбуждается переменным током, который не ока­ зывает существенного влияния на силу натяжения проволоки, то движение центральной части проволоки воспроизводит изме­ нение тока во времени.

Гальванометр Эйнтховена— это струнный гальванометр, ко-