1 Физические поля: электрическое, магнитное, акустическое, тепловое, другие

электрическое,
магнитное,
акустическое,
тепловое,
другие

поля.

Получение информации с помощью
физических полей

Получение информации (измерение) связано со взаимодействием между объектом датчиком. Это взаимодействие происходит посредством физических полей.

двух компонент электромагнитного поля, представляющая собой векторное поле, существующее вокруг тел или

частиц, обладающих электрическим зарядом.

Потенциал - отношение потенциальной энергии W, которой обладает пробный

заряд q , к величине заряда.

 

на перемещение единицы заряда из одной точки поля в другую.

поля в этой точке:
F — сила, действующая

со стороны электрического поля на произвольный пробный положительный точечный заряд q, размещенный в точке A.

веществами: проводниками, полупроводниками и диэлектриками.


Взаимодействие

электрического поля
с проводниковыми веществами

Основным свойством проводниковых веществ (материалов) является их высокая электропроводимость.


0,016    10 мкОмм.

Проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости (серебро, медь и др.) и материалы высокого сопротивления (манганин, нихром и др.).

проводнику начинают перемещаться электрические заряды, при этом в нем возникает

электрическое поле.

электрического поля связаны законом Ома:



g – удельная

электрическая проводимость.

Кроме удельной проводимости и сопротивления существуют и другие характеристики проводников:

удельная теплопроводность Т;
температурный коэффициент удельного сопротивления ТК;
температурный коэффициент линейного расширения ТКl,
температура плавления ТПЛАВ и др.

для которых выражение удельной электропроводимости может быть представлено в виде:
е

– заряд электрона; n – концентрация электронов;
μn – подвижность электронов.

с помощью специальных компьютерных программ.
На рисунке

представлена картина силовых линий
электрического поля между двумя токопроводящими шинами

Картины электрического поля

шинами
можно разместить диэлектрик.

силовые линии поля искажаются.
Внутри проводника электрического

поля нет.

от
Формы и размеров проводника.

электрического поля.
Например, можно посмотреть общую картину
Напряжения или напряженности поля.

вдоль выделенного контура.

Отличительным свойством полупроводниковых материалов является зависимость удельной проводимости от

различных факторов: концентрации, вида примесей, внешних энергетических воздействий.

Под действием электрического поля электроны двигаются в одну сторону, а дырки в другу.

как электронов, так и дырок.
Плотность тока

может быть найдена по формуле: ,

где е – заряд электрона; n и р – концентрации электронов и дырок;

μp

- подвижности электронов и дырок;

– удельная электрическая проводимость.

При напряженности Е > ЕКР удельная проводимость возрастает по экспоненциальному закону при увеличении напряженности Е.

однородном диэлектрике
1 – электроды, 2 – однородный диэлектрик, 3 -

пузырек воздуха.

εд > 1

ε0 = 1

Внутри пузырька напряженность электрического поля выше, чем в диэлектрике.

диэлектрическая проницаемость
диэлектрика и воздуха

вещество в нем возникает процесс поляризации.

С0, Q0 – емкость и заряд собственного поля электродов без диэлектрика;
СП, QП – емкость и заряд диэлектрика с электронной (ионной) поляризацией;
R0 – сопротивление диэлектрика токам сквозной электропроводности;
RП – сопротивление, учитывающее потери в диэлектрике.

понимается дипольный момент
единицы объема. В слабых полях

Вместо

дипольного момента можно использовать электрическую индукцию (электрическое смещение):

– абсолютная диэлектрическая проницаемость;

– от­носи­тель­ная диэлектрическая проницаемость вещества;

- диэлектрическая постоянная.

– диэлектрическая восприимчивость

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами,

включенный в электрическую цепь, представляет собой конденсатор.

1 – электроды,
2 – диэлектрик

- отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, изготовленном из данного диэлектрика, к заряду Q0, заряду в вакууме.

токов.
Плотность тока смещения JСМ определяется

скоростью изменения вектора электрической индукции:

JСМ = dD/dt.

Наличие свободных зарядов в диэлектрике приводит к возникновению слабых токов сквозной электропроводимости JСК
Плотность тока сквозной проводимости, который получил название тока утечки, определяется по формуле
JСК = Е/

Полная плотность тока в диэлектрике равна сумме плотностей тока сквозной проводимости и токов смещения:

J = JСК + JСМ

поля используются для магнитных видов контроля и измерений.

Магнитные виды контроля и измерения широко используются в дефектоскопии, структуроскопии, при измерении размеров и других физических величин.

При взаимодействии вещества с магнитным полем одной из главных характеристик, определяющей это взаимодействие, является магнитная восприимчивость χ, которая показывает способность вещества приобретать определенную намагниченность М под действием внешнего магнитного поля.
Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля зависимостью:

магнитной восприимчивости χ все вещества условно делят на диамагнетики, парамагнетики

и ферромагнетики.

Диамагнетики имеют отрицательную магнитную восприимчивость: χ = –(10-5 … 10-7), т. е. они намагничиваются во внешнем магнитном поле навстречу вектору напряженности этого поля.
Примерами диамагнетиков являются Si, Au, Cu и другие вещества, а также некоторые органические и неорганические вещества.

Парамагнетики намагничиваются во внешнем магнитном поле по направлению вектора его напряженности, т. е. имеют положительную магнитную восприимчивость: χ = (10-1 … 10-5).
К ним относятся Al, Cr, Mn, ферромагнетики при температурах, превышающих температуру Кюри.

диа - и парамагнетики практически не используются.

В качестве магнитных материалов техническое значение имеют ферромагнитные и ферримагнитные (ферриты) материалы, у которых при температуре, меньшей точки Кюри, устанавливается состояние самопроизвольной намагниченности и которые характеризуются высоким значением магнитной восприимчивости (χ = 1… 105).
К ним относятся: Fе, Ni, Со и их сплавы, сплавы хрома и марганца, ферриты различного состава и др. материалы.

Ферромагнетики – магнитные материалы, в которых наблюдается явление самопроизвольного образования магнитных доменов со взаимно параллельными спинами.

Ферримагнетики – магнитные материалы, у которых минимуму потенциальной энергии системы отвечает антипараллельное расположение спинов с некоторым преобладанием одного направления над другим

проницаемость;
μ0 = 4π10-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума;
μr

= 1 + 4πχ – относительная магнитная проницаемость вещества, которая показывает, во сколько раз магнитные характеристики (индукция) данного вещества больше магнитных характеристик вакуума, т. е.
μr = μa /μ0.

Основные характеристики магнитных материалов

Основной характеристикой магнитного поля в намагниченной среде является магнитная индукция, которая может быть найдена как

линиями магнитной индукции.
Если поместить в равномерно

распределенное магнитное поле Н0 ферромагнитный образец с однородными магнитными свойствами, то линии магнитной индукции В0 в образце распределятся равномерно внутри образца, не выходя за его поверхность.

Если в такое же магнитное поле поместить такой же образец, но имеющий дефект, например поверхностную трещину, то в образе произойдет перераспределение магнитного потока как внутри образца, так и в окружающей дефект зоне.

кривая намагничивания, представляющая собой графическое изображение зависимости В = μаН.

Из-за нелинейного характера кривой намагничивания кроме относительной магнитной проницаемости выделяют начальную μнач и максимальную μmax, дифференциальную, динамическую и импульсную магнитные проницаемости.  

наклона касательных к кривой намагничивания в точках Н = 0

и Н = Нm:

Начальная магнитная проницаемость а – это магнитная проницаемость в очень слабых магнитных полях (Н < 0,1 А/м).

Максимальная магнитная проницаемость mаx – наибольшее значение магнитной проницаемости. Для ферромагнетиков
mаx  104–105, а для ферримагнетиков mаx  (2 – 4)∙104.

напряженности магнитного поля и температуры и имеет ярко выраженный "резонансный"

характер вблизи температуры Кюри – Тк .

Импульсная магнитная проницаемость характеризует материал в импульсном магнитном поле и определяется как

В – максимальное изменение магнитной индукции при намагничивании импульсным магнитным полем Н.

Дифференциальную магнитную проницаемость определяют как производную от магнитной индукции по напряженности магнитного поля для любой точки кривой намагничивания:

переменных магнитных полях и представляет собой отношение амплитудного значения индукции

Вm к амплитудному значению напряженности Нm магнитного поля:

Когда воздействующее поле совершает полный цикл перемагничивания (от +Нm до 0 и от 0 до –Нm, а затем в обратную сторону до 0 и далее до +Нm), магнитная индукция В изменяется по симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса.

поле создаётся в результате движения заряженных частиц или собственными магнитными

моментами частиц.

при размещении медного проводника в его зазоре.

полях всегда наблюдаются потери энергии в форме тепла. Они обусловлены

потерями на гистерезис и динамическими потерями.
Потери на гистерезис возникают при работе магнитных материалов в переменном магнитном поле, определяются площадью петли гистерезиса.
Энергия потерь зa один цикл перемагничивания может быть найдена по формуле:

где  – коэффициент, зависящий от материала; Вmax – максимальная индукция в течение цикла; n = 1,6–2.

Мощность, расходуемая на гистерезис:

f – частота тока; V – объём ферромагнетика.

Потери энергии в магнитных материалах

ферромагнитном материале, является тангенс угла магнитных потерь, который может быть

определен из векторной диаграммы катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником.

постоянных магнитов при воздействии внешних факторов используются различные коэффициенты, такие

как температурный коэффициент магнитной индукции:

Аналогично оцениваются и изменения других параметров, например, коэрцитивной силы.