Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

ного в мишени напряжения, в свою очередь, наводит некоторое сигнальное напряжение в измерительной катушке. В последней начинает течь сигнальный ток, вызванный сигнальным напряже­ нием. Этот отраженный сигнальный ток добавляется к исходному измерительному току, изменяя его значение.

На рис. 12.1 показана проводящая мишень в форме кольца, помещенная в изменяющемся магнитном поле измерительной катушки. Такая система описывается совершенно аналогично системе с катушками-мишенями или трансформатору, которые изображены на рис. 12.6 и 13.5 соответственно. На рис. 12.2 представлена векторная диаграмма, описывающая в общем виде электрические процессы, которые характерны для всех приведен­ ных примеров взаимодействия измерительной катушки с ми­ шенью.

При отсутствии мишени в измерительной катушке под влия­ нием приложенного напряжения возникает запаздывающий ток /о. Фазовый угол ф0 между этими напряжением и током харак­

теризует импеданс катушки — ее

резистивное сопротивление

и индуктивность. Если же в поле

катушки имеется мишень,

то при том же самом приложенном напряжении в катушке течет иной запаздывающий ток /5. Теперь на фазовый угол между приложенным напряжением и запаздывающим током окажет влияние ток, наведенный в мишени, вследствие чего этот угол в присутствии мишени принимает новое значение <р5.

Согласно закону Ампера ток в измерительной катушке по­ рождает магнитное поле, совпадающее с ним по фазе. На приведенных здесь рисунках мишени находятся в этом изме­ няющемся магнитном поле. Согласно закону Фарадея в ми-

Рис. 12.1. Электрический ток, на­ водимый в кольце-мишени под влиянием измерительной катуш­

ки. Импеданс катушки возраста­

ет, когда ее изменяющееся маг­ нитное поле используется для на­ ведения вихревых токов в распо­

ложенном поблизости кольце, иг­ рающем роль мишени

Рис. 12.2. Векторная диаграмма для измерительной катушки и мишени. Диаграмма описывает соотношения между напряжениями и токами в системе, показанной на рис. 12.1. Ток в измерительной катушке течет под действием напряжения возбуж­ дения и отстает от этого напряжения на некоторый фазовый угол. Этот ток наводит напряжение в любом близлежащем проводнике, играющем роль мишени. Напряже­ ние, наведенное в мишени, создает в ней ток, который, в свою очередь, наводит напряжение опять же в измерительной катушке, вследствие чего изменяются фазо­

вый угол и амплитуда тока в измерительной катушке:

/ — угол опережения; 2 — измерительный фазовый угол; 3 — фазовый угол мишени

шени наводится напряжение Ет, запаздывающее по отношению к наводящему полю (а следовательно, и по отношению к току в измерительной катушке /5) на фазовый угол 90°. Под влиянием напряжения Етв мишени начинает течь ток и. Этот ток отстает от напряжения мишени на некоторый фазовый угол фц, который за­ висит как от индуктивности, так и от сопротивления мишени.

В соответствии с законом Ампера ток в мишени порожда­ ет изменяющееся магнитное поле, совпадающее с ним по фазе. Измерительная катушка находится в этом изменяющемся магнитном поле. В соответствии с законом Фарадея в измери­ тельной катушке наводится сигнальное напряжение Ех (отражен­ ное напряжение), запаздывающее по отношению к наводящему

полю (а следовательно,

и по отношению к току в мишени 1Т)

на фазовый угол 90°

Под влиянием сигнального напряжения

Ех в измерительной катушке начинает течь сигнальный ток 1Х (отраженный ток). Этот ток отстает от сигнального напряжения на такой же фазовый угол <р5, на какой ток в измерительной катушке /5 отстает от исходного приложенного напряжения.

Сигнальный ток 1Х (при наличии проводящей мишени) всегда опережает по фазе исходный ток /о. Следовательно, ток /5 при описанных условиях всегда опережает ток /о. В результа­ те отражения энергии обратно в измерительную катушку от проводящей мишени новый ток в измерительной катушке /5 представляет собой векторную сумму исходного тока / 0 и сиг­ нального тока 1Х.

Если использовать в качестве опорного исходный ток в из­ мерительной катушке /о, то фазовый угол, на который новый ток в измерительной катушке 13 опережает ток /о, может служить показателем размеров проводящей мишени или ее близости к измерительной катушке; иначе говоря, хотя фазовые соотно­

шения между токами 1Х и 13 остаются одними и теми

же для

заданной мишени, изменяется амплитуда сигнального

тока

от которой зависит фазовый угол между токами /о и 13.

 

12.2. ОТРАЖЕННАЯ ЭНЕРГИЯ

Значение энергии, которой обмениваются две катушки (вы­ раженное через амплитуду сигнального тока 1Х), достигает мак­ симума, когда катушки расположены соосно. Относительная магнитная индукция вдоль оси катушки выражается мате­ матически как

В = кШг2/с13,

(12.1)

где г — радиус катушки; N — число витков катушки; I — ток в катушке и <1— расстояние от центра катушки до точки наблю­ дения (предполагается, что й намного больше, чем г). Здесь величина к — это постоянная, связанная довольно сложной зависимостью с относительной ориентацией и расположением двух катушек.

Если учесть соответствующие соотношения между величи­ нами, обусловленные законами Ампера и Фарадея, то можно получить следующее уравнение для амплитуды сигнального тока, наведенного в измерительной катушке в результате отра­ жения энергии от катушки-мишени:

1х/13 = к2 7 '{Ы5 г28 )22 1 \М тг2)2а - ][2,

(12.2)

где /5— ток возбуждения в измерительной катушке; / — частота тока возбуждения; 1Х— изменение тока возбуждения в резуль­ тате отражения энергии под влиянием тока, наведенного в катушке-мишени; п$ и Мг — число витков измерительной катушки и катушки-мишени соответственно; г3 и гт— радиус измеритель­ ной катушки и катушки-мишени соответственно; 13 и 2Т— импе-

188

даис измерительной катушки и катушки-мишени соответственно; й — расстояние между катушками. Здесь величина к также яв­ ляется постоянной, которая связана сложной зависимостью с отно­ сительной ориентацией и расположением катушки-мишени и из­ мерительной катушки.

12.3. ОРИЕНТАЦИЯ КАТУШКИ-МИШЕНИ

Проволочную катушку можно вращать в магнитном поле, как показано на рис. 12.3. Генерируемое при этом напряжение изменяется синусоидально, а его мгновенное значение опреде­ ляется мгновенной скоростью изменения магнитного потока, проходящего через катушку. Если поток направлен перпенди­ кулярно оси катушки, то он не пересекается катушкой, и мгновенная скорость изменения потока через катушку равна ну­ лю. Если же поток направлен параллельно оси вращающейся катушки, то как поток, проходящий через катушку, так и ско­ рость его изменения достигают максимума.

Условия взаимодействия между двумя катушками, когда катушка-мишень, неподвижная в пространстве, попадает в поле измерительной катушки, также неподвижной, аналогичны опи­ санным условиям для вращающейся катушки. В последнем слу­ чае изменение магнитного потока во времени обеспечивается вращением катушки, а в первом случае — колебаниями тока в измерительной катушке.

При условиях этих двух типов амплитуда наведенного на­ пряжения изменяется аналогично в зависимости от ориентации катушки-мишени. Как показано на рис. 12.3, мгновенное наве­ денное напряжение равно произведению максимального наве­ денного напряжения и косинуса угла между осями измеритель­ ной катушки и катушки-мишени. Таким образом, максимальное наведенное напряжение, соответствующее уравнению (12.2), ну­ жно умножить на косинус угла, определяющего относительную ориентацию катушек.

Рис. 12.3. Влияние ориентации катушки-мишени. Электрическое напряжение, наведенное во вращающейся проволочной катушке, пропорционально мгновен­ ной скорости изменения магнитного потока через катушку

Измерительная катушка по-разному воспринимает отражен­ ную энергию при разных расположениях катушки-мишени. Подробный математический анализ всех возможных вариан­ тов взаимного расположения катушек выходит за рамки дан­ ного обсуждения. Следует отметить, однако, что напряженность поля вдоль общей оси катушек, соответствующая уравнению (12.2), изменяется в зависимости от их относительного распо­ ложения; основные тенденции этого изменения иллюстрируются на рис. 12.4. В частности, когда катушка-мишень расположена не на оси измерительной катушки, отраженное напряжение оказывается меньше, чем в случае, когда катушка-мишень расположена на этой оси. На рисунке изображено упрощенное решение общей задачи. Конечно, при помещении катушки-мише­ ни в тороидальное магнитное поле, создаваемое измерительной катушкой, напряженность магнитного поля, воздействующего на катушку-мишень, является сложной функцией и координат положения, и углов ориентации ее по отношению к этому торо­ идальному полю.

Наиболее целесообразно с практической точки зрения было бы экспериментальное определение напряженности этого поля, однако можно получить общее представление о нем, рассматри­ вая его изменение в нескольких плоскостях, перпендикулярных оси измерительной катушки. Как видно на рис. 12.4, обычно

Рис. 12.4. Влияние распо­ ложения катушки-мише­ ни. Напряженность маг­ нитного поля (жирная кривая), окружающего проволочную катушку’ с током, существенно изме­ няется по пространству

Источник: https://studfile.net/preview/19992782/