Взаимодействие поля с веществом

1.

Получение информации с помощью
физических полей
Получение информации (измерение) связано со
взаимодействием между объектом датчиком. Это взаимодействие
происходит посредством физических полей.
Физические поля:
электрическое,
магнитное,
акустическое,
тепловое,
другие поля.
1

2.

Взаимодействие электрического поля
веществом
Электрическое поле — одна из двух компонент
электромагнитного поля, представляющая собой
векторное поле, существующее вокруг тел или частиц,
обладающих электрическим зарядом.
2

3.

Основными характеристиками электрического
поля являются:
• потенциал;
• напряжение;
• Напряжённость.
Потенциал - отношение потенциальной энергии W,
которой обладает пробный заряд q , к величине заряда.
3

4.

Напряжение – энергия, которую необходимо затратить на
перемещение единицы заряда из одной точки поля в другую.
4

5.

Напряженность E электрического поля в точке A —
силовая характеристика электрического поля в этой точке:
F
E
q
F — сила, действующая
со стороны электрического
поля на произвольный
пробный положительный
точечный заряд q,
размещенный в точке A.
5

6.

Электрическое поле по-разному взаимодействует с
различными веществами: проводниками, полупроводниками и
диэлектриками.
1. 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.).
6

7.

Под действием внешнего электрического поля по
проводнику начинают перемещаться электрические заряды,
при этом в нем возникает электрическое поле.
7

8.

В проводниках плотность тока и напряженность
электрического поля связаны законом Ома:
J g E
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.
8

9.

Основным типом проводниковых материалов являются
металлы, для которых выражение удельной
электропроводимости может быть представлено в виде:
g en n
е – заряд электрона; n – концентрация электронов;
μn – подвижность электронов.
9

10.

Картины электрического поля
Электрическое поле можно наблюдать и исследовать
с помощью специальных компьютерных программ.
На рисунке представлена картина силовых линий
электрического поля между двумя токопроводящими шинами
10

11.

Для большей равномерности линий поля между шинами
можно разместить диэлектрик.
11

12.

При размещении проводника в электрическом поле
силовые линии поля искажаются.
Внутри проводника электрического поля нет.
12

13.

Характер искажений силовых линий поля зависит от
Формы и размеров проводника.
13

14.

Программа ELCUT позволяет исследовать
основные характеристики электрического поля.
Например, можно посмотреть общую картину
Напряжения или напряженности поля.
Напряжение
U (В)
175.0
138.2
101.4
64.6
27.8
-9.0
-45.8
-82.6
-119.4
-156.2
-193.0
14

15.

Общая картина напряженности электрического поля.
Напряженнос
4
E (10 В/м)
9.520
8.571
7.621
6.672
5.722
4.772
3.823
2.873
1.924
0.974
0.025
15

16.

Имеется возможность вывода графиков отдельных параметров
поля вдоль выделенного контура.
16

17.

2. Взаимодействие электрического поля
с полупроводниковыми веществами
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.
17

18.

Электрическая проводимость в полупроводнике
определяется движением как электронов, так и дырок.
Плотность тока может быть найдена по формуле: ,
J (en n ep p ) E g E
где е – заряд электрона; n и р – концентрации электронов и дырок;
n μp
g
- подвижности электронов и дырок;
– удельная электрическая проводимость.
При напряженности Е > ЕКР удельная проводимость
возрастает по экспоненциальному закону при увеличении
напряженности Е.
g E g 0e
E
18

19.

3. Взаимодействие электрического поля
с диэлектрическим веществом
Распределение электрического поля в однородном диэлектрике
1 – электроды, 2 – однородный диэлектрик, 3 - пузырек воздуха.
εд > 1
ε0 = 1
- диэлектрическая проницаемость
диэлектрика и воздуха
Внутри пузырька напряженность электрического
поля выше, чем в диэлектрике.
19

20.

При воздействии электрического поля на диэлектрическое
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.
20

21.

Мерой поляризации является поляризованность,
под которой понимается дипольный момент
единицы объема. В слабых полях
– диэлектрическая восприимчивость
Вместо дипольного момента можно использовать
электрическую индукцию (электрическое смещение):
D E p E
0
a
r
0
r
0
a
– абсолютная
– относительная
диэлектрическая проницаемость;
диэлектрическая проницаемость вещества;
- диэлектрическая постоянная.
21

22.

Относительная диэлектрическая проницаемость важнейшая характеристика диэлектрика:
Q / Q Q QД / Q 1 Q Д / Q
r
0
0
0
0
- отношение заряда Q, полученного при некотором
напряжении на конденсаторе, изготовленном из данного
диэлектрика, к заряду Q0, заряду в вакууме.
Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами,
включенный в электрическую цепь, представляет собой
конденсатор.
C /C C C
r
0
0
Д
/ С 1 C
0
Д
/C
0
1 – электроды,
2 – диэлектрик
22

23.

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/
Поляризационные процессы связаны с возникновением
поляризационных токов.
Плотность тока смещения JСМ определяется скоростью
изменения вектора электрической индукции:
JСМ = dD/dt.
Полная плотность тока в диэлектрике равна сумме
плотностей тока сквозной проводимости и токов смещения:
J = JСК + JСМ
23

24.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО
ПОЛЯ
С ВЕЩЕСТВОМ
Магнитные 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:
M 4 H
24

25.

В зависимости от модуля и знака 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.
25

26.

В технике в качестве магнитных материалов 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
26

27.

Основные характеристики магнитных
материалов
Основной характеристикой магнитного поля в
намагниченной среде является магнитная индукция, которая
может быть найдена как
B H H
0
r
a
Н – намагничивающее поле;
μа = μ0μr – абсолютная магнитная 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.
27

28.

Линии магнитного поля, пронизывающие вещество,
называются 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.
28

29.

Важнейшей характеристикой ферромагнитных веществ
являются основная 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.
29

30.

Магнитные проницаемости находят как тангенсы углов
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).
нач lim (B / 0H ) tg н
H 0
Максимальная магнитная проницаемость mаx – наибольшее
значение магнитной проницаемости. Для ферромагнетиков
mаx 104–105, а для ферримагнетиков mаx (2 – 4)∙104.
max (B / 0H )H H
m
tg m
30

31.

Значение r ферромагнитных
материалов зависит от
напряженности магнитного поля и
температуры и имеет ярко
выраженный "резонансный" характер
вблизи температуры Кюри – Тк .
Дифференциальную магнитную проницаемость определяют
как производную от магнитной индукции по напряженности
магнитного поля для любой точки кривой намагничивания:
диф
B
dB
lim
H dH
H 0
0
0
Импульсная магнитная проницаемость характеризует
материал в импульсном магнитном поле и определяется как
B
H
и
и
0
и
В – максимальное изменение магнитной
индукции при намагничивании
импульсным магнитным полем Н.
31

32.

Динамическая магнитная проницаемость характеризует
ферромагнетик в переменных магнитных полях и представляет
собой отношение амплитудного значения индукции Вm к
амплитудному значению напряженности Нm магнитного поля:
~
B
H
m
0
m
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.
32

33.

Взаимодействие магнитного поля
с ферромагнитным веществом
Магнитное поле создаётся в
результате движения заряженных
частиц или собственными
магнитными моментами частиц.
Картина магнитного поля
в ферромагнитном
сердечнике
33

34.

Картина магнитного поля
в медном проводнике
Искажения магнитного
поля в сердечнике при
размещении медного
проводника в его
зазоре.
34

35.

Потери энергии в магнитных материалах
При перемагничивании ферромагнетиков в переменных
магнитных 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:
WГ ,1 В
n
max
где – коэффициент, зависящий от материала; Вmax – максимальная
индукция в течение цикла; n = 1,6–2.
Мощность, расходуемая на гистерезис:
PГ f В V
n
max
f – частота тока; V – объём ферромагнетика.
35

36.

Одним из параметров, характеризующих потери в
ферромагнитном материале, является тангенс угла магнитных
потерь, который может быть определен из векторной диаграммы
катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником.
tg M
R
L
36

37.

Для оценки изменения магнитных свойств материалов
постоянных магнитов при воздействии внешних факторов
используются различные коэффициенты, такие как
температурный коэффициент магнитной индукции:
B
TKB aB
B T
Аналогично оцениваются и изменения других параметров,
например, коэрцитивной силы.
37