Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

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

ма1 штное поле

имеет наибольшую напряженность вдоль

оси

изл ерительной

катушки, а отношение напряженностей на

оси

и в точках, не лежащих на оси, быстро увеличивается при уменьшении расстояния между катушкой-мишенью и измеритель­ ной катушкой.

«Заостренность» графика напряженности поля, или зависи­ мости между чувствительностью измерительной катушки и рас­ стоянием точки наблюдения от оси катушки, можно выразить прй помощи относительной ширины этой характеристики — отношения ее ширины к высоте. В разных плоскостях, перпен­ дикулярных оси измерительной катушки, относительная ширина характеристики имеет разные значения, причем как максималь­ ная напряженность поля, так и относительная ширина харак­ теристики зависят от диаметра измерительной катушки, числа витков в ней и частоты тока возбуждения.

12.5. МНОЖЕСТВЕННЫЕ МИШЕНИ И МНОЖЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ КАТУШКИ

Если измерительная катушка приближается к катушкемишени, создающей индуктивное сопротивление, то фазовый угол измерительной катушки уменьшается. На рис. 12.5 иллюстриру­ ются три возможные реакции измерительной катушки под влия­ нием катушки-мишени. Они характеризуются фазовыми углами ф1, ф2 и фз, каждый из которых меньше исходного фазового угла Фо (они перечислены в порядке убывания). Фактически здесь

Рис. 12.5. Векторная диаграмма для измерительной катушки и мно­ жественных катушек-мишеней. Со­ гласно общим принципам, проил­ люстрированным на рис. 12.2, мише­ ни с разными фазовыми углами <ФА, фд, фс) отражают обратно на измерительную катушку напряже­ ния, имеющие различные фазовые углы и различные амплитуды. Вслед­ ствие этого при приближении изме­ рительной катушки к какой-либо конкретной мишени конец вектора тока в катушке описывает траекто­ рию, характерную именно для этой мишени:

А,, В, С — траектории вектора 1Х для мишеней А, В и С соответственно

показано, каким образом могут образоваться эти фазовые углы при взаимодействии измерительной катушки с тремя различными катушками-мишенями, имеющими разные фазовые углы ,

Фв и фсДля конкретной заданной катушки-мишени последователь­

ность фазовых углов измерительной катушки от фо до ф3 можно прокалибровать в значениях расстояния между измерительной катушкой и катушкой-мишенью.

Траектории конца вектора суммы исходного тока в измери­ тельной катушке /о и различных возможных сигнальных токов 1Х различаются для катушек-мишеней с разными фазовыми углами. Каждая такая траектория имеет форму, характерную для данного фазового угла катушки-мишени, и ее можно ис­ пользовать для целей различения мишеней.

Как видно на рис. 12.5, наличие мишени может привести либо к увеличению, либо к уменьшению тока в измерительной катушке. В общем случае, однако, справедливо следующее утверждение: чем меньше фазовый угол катушки-мишени, тем в большей степени отраженная от-нее энергия стремится умень­ шить ток в измерительной катушке.

12.6. ДИАПАЗОН ИЗМЕНЕНИЯ ОТРАЖЕННОГО ФАЗОВОГО УГЛА

На рис. 12.6 изображены две различные катушки-мишени с разными фазовыми углами, причем одна из них показана в двух положениях с разными ориентациями. Взаимодействие между измерительной катушкой и катушкой-мишенью зависит от всех трех указанных факторов — взаимного расположения, ориен­ тации и электрических характеристик катушек. Каждый из этих факторов влияет как на величину, так и на направление век­ тора отраженного тока /*.

Векторы тока на рис. 12.5 представляют ток в измерительной катушке, возникающий в результате отражения шергии от раз­ личных катушек-мишеней. Векторная сумма походного изме­ рительного тока /о и отраженного тока /* дает новый измери­ тельный ток, который всегда опережает исходный ток /0. Сте­ пень этого опережения зависит как от фазы, так и от ампли­ туды тока 1Х.

Направление отраженного тока 1Х, выражаемое фазовым углом ф*, определяется как степенью связи между измеритель­ ной катушкой и катушкой-мишенью, так и электрическими харак­ теристиками каждой катушки.

На рис. 12.7 представлено разложение векторов тока, пока­ занных на рис. 12.2, для того чтобы продемонстрировать различ­ ные возможные варианты их взаимной ориентации, зависящие от электрических характеристик измерительных катушек и кату­ шек-мишеней. Здесь иллюстрируется случай, когда две различ-

192

Рис. 12.6. Факторы, влияющие на взаи­ модействие между измерительной ка­ тушкой и катушкой-мишенью. Сигналь­ ное напряжение, отражаемое обратно на измерительную катушку под влияни­ ем тока, наведенного в мишени, зависит от импеданса мишени, а также от рас­ положения и ориентации мишени в маг­ нитном поле измерительной катушки

Рис. 12.7. Пределы изменения вектора сигнального тока. Фазовый угол ми­ шени может изменяться в пределах 90° — от значения, соответствующего чисто резистивному сопротивлению, до значения, соответствующего чисто ин­ дуктивному сопротивлению

ные катушки-мишени находятся под влиянием одной и той же измерительной катушки. Два отраженных тока, обозначенных как 1а и /В) отклонены на фазовые углы <рл и <рв соответ­ ственно.

Для заданной измерительной катушки, которая характеризу­ ется своим фазовым углом фо, могут быть выбраны различные катушки-мишени с любыми фазовыми углами, лежащими в диа­ пазоне от фг= 0 (чисто резистивное сопротивление) до фг =90° (чисто индуктивное сопротивление). Отраженные токи для кату­ шек-мишеней с такими предельными характеристиками обозна­ чены на рис. 12.7 символами /Е и /в соответственно.

Если учесть в полной мере теоретически возможный диапазон от 0 до 90° для фазовых углов как измерительной катушки, так и катушки-мишени, то можно получить отраженные токи, опережающие исходный ток в измерительной катушке на любой фазовый угол от 0 до 180° Таким образом, в принципе су­ ществует возможность, чтобы отраженный ток совпадал по фазе с исходным током в измерительной катушке или был в проти­ вофазе по отношению к исходному току. Однако при любых

условиях отраженный ток в измерительной катушке с индуктив­ ным сопротивлением, возникающий под влиянием катушки-ми­ шени, которая также характеризуется индуктивным сопротивле­ нием, всегда опережает исходный ток в измерительной катушке. Если же цепь катушки-мишени характеризуется емкостным сопротивлением, то новый ток в измерительной катушке может отставать от исходного тока.

На рис. 12.7 также иллюстрируются условия, когда две ка­ тушки-мишени, существенно различающиеся по своим электри­ ческим характеристикам, могут вызывать токи в измерительной катушке с одним и тем же фазовым углом. В этом случае

отраженный ток /с с

фазовым углом

«рл и отраженный ток

1В с фазовым углом

<рв дают токи в

измерительной катушке

/2 с разными амплитудами, но с одной и той же фазой <рг. Если здесь ток /2 больше, чем ток /о, то сопротивление Яг должно быть меньше, чем сопротивление Яо, причем обе величины Яг и 7-2 могут быть либо больше, либо меньше соответствующих величин для условий, когда нагрузка отсутствует.

12.7.ВИХРЕВЫЕ ТОКИ

Влюбом проводнике, находящемся в изменяющемся магнит­ ном поле, наводится напряжение независимо от причины, вызы­ вающей изменения поля, и от конфигурации проводника. Токи Фуко, иллюстрируемые на рис. 10.5, текут под влиянием электри­ ческих напряжений, наведенных при движении проводящего тела

внеравномерном магнитном поле.

Трансформатор на рис. 13.5, катушки-мишени на рис. 12.6 и кольцо на рис. 12.1 являются примерами различных конфигура­ ций проводника в магнитном поле, для которых одно и то же

Рис. 12.8. Вихревые токи, наведеныые' в поверхностном слое проводящего тела.; 1 Если в результате изменения магнит­ ного поля измерительной катушки в проводящем теле наводятся вихревые токи, то соотношения между напряже­ ниями и токами можно описать такой же векторной диаграммой, как и на рис. 12.2

явление наблюдается с разными интенсивностями. На каждом из этих рисунков имеется своего рода «катушка-мишень» с кон­ кретными электрическими характеристиками. На рис. 12.8 изобра­ жено такое же кольцо, как и на рис. 12.1, «вставленное» в проводящее тело у его поверхности. Здесь также изменяющееся магнитное поле измерительной катушки наводит ток, который циркулирует в проводящем теле. Наводимые в таких условиях токи обычно называют вихревыми токами.

Вихревые токи отражают энергию обратно в измерительную катушку точно таким же образом, как и токи, текущие в катуш­ ках-мишенях любого типа.

12.8. СКИН-ЭФФЕКТ

Скин-эффект заключается в возникновении переменных то­ ков, текущих только у поверхности проводника. Глубина, на которой эти токи составляют 36,8% их максимального (поверх­ ностного) значения, или глубина проникания, выражается мате­ матически как

а=(к{рс)~1/2.

(12.3)

где / — частота изменения поля; р — магнитная проницаемость; с — удельная электрическая проводимость и к — константа.

Чем выше частота тока, или больше скорость его изменения во времени, тем сильнее проявляется вышеописанный эффект. При микроволновых частотах токи текут в тонком поверхностном слое проводника, проникая на глубину, не превышающую не­ скольких межмолекулярных расстояний.

Электроны, движущиеся у поверхности проводника и внося­ щие свой вклад в электрический ток, подвержены действию магнитного потока от других движущихся электронов в мень­ шей степени, чем те электроны, которые находятся в проводнике на больших глубинах. Это объясняется тем, что поверхностные электроны испытывают влияние соседних электронов только с одной стороны, тогда как глубинные электроны окружены сосед­ ними электронами со всех сторон. Поскольку глубинные электро­ ны, участвующие в создании переменного тока, находятся под действием более сильного магнитного поля, к ним приложены большие силы Ленца. Рассматривая эти условия под иным углом зрения, можно сказать, что глубинные электроны характеризуют­ ся большей «взаимной индуктивностью» по отношению к сосед­ ним электронам, чем поверхностные электроны.

Следовательно, для электронов легче изменить свое движение, если они находятся вблизи поверхности ^проводника, по сравне­ нию с электронами, находящимися глубже. Поскольку носители всегда выбирают оптимальную траекторию (соответствующую условию минимальной энергии), в данном случае носители, образующие переменный ток, под действием боковых сил Ленца

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