电磁检测绪论.doc

第1章 绪 论一、教学目的：本章主要讲解电磁学的发展历程及电磁检测的发展应用概况，简要介绍电磁检测的方法，各类方法的应用范围、优点及局限性。二、课时安排：2学时三、重点难点：电磁检测方法应用范围和优点四、教学方法与手段：讲授、举例等五、教具准备：多媒体课件六、主要内容：1.1电磁学的发展 1.1电磁学建立和发展的历史过程 1.1.1 古代磁学和电学的发展早期的电磁学研究1650年，德国物理学家格里凯在对静电研究的基础上，制造了第一台摩擦起电机。1720年，格雷研究了电的传导现象，发现了导体与绝缘体的区别，同时也发现了静电感应现象。1733年，杜菲经过实验区分出两种电荷，称为松脂电和玻璃电，即现在的负电和正电。他还总结出静电相互作用的基本特征，同性排斥，异性相吸。1745年，荷兰莱顿大学的穆欣布罗克和德国的克莱斯特发明了一种能存储电荷的装置莱顿瓶，它和起电机一样，意义重大，为电的实验研究提供了基本的实验工具。1752年，美国科学家富兰克林对放电现象进行了研究，他冒着生命危险进行了著名的风筝实验，发明了避雷针。 库伦的研究1777年，法国物理学家库仑通过研究毛发和金属丝的扭转弹性而发明了扭秤，如图所示。17851786年，他用这种扭秤测量了电荷之间的作用力，并且从牛顿的万有引力规律得到启发，用类比的方法得到了电荷相互作用力与距离的平反成反比的规律，后来被称为库仑定律。 稳恒电流的获得与研究 伽伐尼的研究 伽伐尼是一位解剖学教授，1780 年9 月的一天，他在解剖青蛙时偶然发现电效应，他和学生一起作解剖实验，一个学生用手术刀轻轻触动了青蛙的小腿神经，这只青蛙立即抽搐了起来。当时，另一学生正在附近练习使用摩擦起电机。他注意到青蛙抽搐时，正好是起电机发出火花的那一瞬间。伽伐尼没有放过这一机会，立即研究起来。伽伐尼为了掌握青蛙抽搐的规律，安排了一系列实验。起先他只用刀尖触青蛙神经，然后只让起电机打电火花，都不能使蛙腿抽搐。接着，伽伐尼把青蛙用铜钩子挂在花园的铁栏杆上，结果发现在闪电来临时，青蛙也会抽搐。伽伐尼又把青蛙放在铁桌上，用铜钩子碰青蛙腿，只要铜钩子另一端触及桌面，即使没有任何其它带电体在场，蛙腿也会抽搐。显然他已触及现象的本质，可是，由于动物电的观念先入为主，他坚持用动物电说明所有这些现象，使他无力作出正确的解释。伏打的研究在这些研究者中间，有一位意大利的自然哲学教授伏打，他细心重复了伽伐尼的实验，发现伽伐尼的神经电流说有问题。伏打继续进行了大量实验。他比较了各种金属，按金属相互间的接触电动势把各种金属排列成表，其中有一部分是：锌铅锡铁铜银金石墨。只要将表中任意两种金属接触，排在前面的金属必带正电，排在后面的必带负电。这样，伏打一举就全面地解释了伽伐尼和其他人做过的各种动物电实验。 1800 年，伏打进一步把锌片和铜片夹在用盐水浸湿的纸片中，重复地叠成一堆，形成了很强的电源，这就是著名的伏打电堆。把锌片和铜片插入盐水或稀酸杯中，也可以形成电源，叫做伏打电池。伏打为了遵重伽伐尼的先驱性工作，在自己的著作中总是称之为伽伐尼电池。所以，以他们两人名字命名的电池，实际上是一回事。伏打电堆（电池）的发明，提供了产生恒定电流的电源，使人们有可能从各方面研究电流的各种效应。从此，电学进入了一个飞速发展的时期研究电流和电磁效应的新时期。奥斯特实验19世纪20年代前，磁和电是独立发展的奥斯特,丹麦物理学家 Hans Christian Oersted深受康德哲学关于“自然力”统一观点的影响，试图找出电、磁之间的关系 奥斯特实验表明长直载流导线与之平行放置的磁针受力偏转电流的磁效应磁针是在水平面内偏转的 横向力突破了非接触物体之间只存在有心力的观念拓宽了作用力的类型意义揭示了电现象与磁现象的联系宣告电磁学作为一个统一学科诞生历史性的突破此后迎来了电磁学蓬勃发展的高潮安培的研究1822年，安培在实验的基础上，以严密数学形式表述了电流产生磁力的基本定律，即安培定律。该定律表明，两个电流元的作用力与它们之间距离的平方成反比，与库仑定律很类似，但是它们作用力的方向却要由右手定则来判断。安培通过研究电流和磁铁的磁力情况，他认为磁铁的磁力在本质上和电流的磁力是一样的，提出了著名的安培分子电流假说。 无定向秤实验一：用对折导线，在其中通以大小相等、方向相反的电流把它移近无定向秤附近的不同部位，观察无定向秤的反应结果：无定向称不动说明：当电流反向时，它产生的作用力也反向数学表达： 实验四 圆线圈A、B、C线度之比为1/n：1：n，A与B的距离以及线圈B与C的距离比为1：n， A与C固定，并串联，其中电流相同，线圈B可以活动，通以另一电流结果：B不动结论：所有几何线度增加同一倍数时，作用力的大小不变法拉第的研究法拉第是一个伟大的实验物理学家，从1824 年到1828 年，法拉第多次进行电磁学实验。他仔细分析电流的磁效应，认为电流与磁的相互作用除了电流对磁、磁对磁、电流对电流，还应有磁对电流的作用。他想，既然电荷可以感应周围的导体使之带电，磁铁可以感应铁质物体使之磁化，为什么电流不可以在周围导体中感应出电流来呢？ 1831 年8 月29 日，法拉第终于取得突破性进展。一个月后，法拉第对各项试验作了总结，向英国皇家学会报告说：产生感应电流的情况可以分为五类：1变化中的电流；2变化中的磁场；3运动的稳恒电流；4运动中的磁铁；5运动中的导线。法拉第的研究法拉第是一个伟大的实验物理学家，他在电磁学方面的主要贡献就是现在称之为法拉第电磁感应定律，并且提出了力线和场的概念。他用实验证明了电不仅可以转化为磁，磁也同样可以转变为电。运动中的电能感应出磁，同样运动中的磁也能感应出电。法拉第的发现为大规模利用电力提供了基础，后来人们利用法拉第电磁感应定律制造了感应发电机，从此蒸气机时代进入了电气化时代。1831年，法拉第用铁粉做实验，形象地证明了磁力线的存在。他指出，这种力线不是几何的，而是一种具有物理性质的客观存在。法拉第只是定性地用文字表述了电磁感应现象。1833 年楞茨进一步发现楞茨定则，说明感应电流的方向。1845 年才由纽曼以定律的形式提出电磁感应的定量规律. 在法拉第发现电磁感应后不久，又有两项有关电磁感应现象的重大发现问世。一是亨利发现了自感现象。二是楞茨发现了楞茨定则。定义了电动势。电流磁效应的发现，使电流的测量成为可能。在法拉第力线思想的激励下，汤姆生对电磁作用的规律也进行了有益的尝试，利用类比方法，把法拉第的力线思想转变为定量的表述，为麦克斯韦的工作提供了十分有益的经验。欧姆发现同样粗细的不同材料的导线在不同的长度下具有相同的传导率，并严格推导了关于电压、电流与电阻之间关系的电路定律。欧姆定律的建立在电学发展史中有重要意义。1.1.3 麦克斯韦电磁场理论的建立法拉第精于实验研究，麦克斯韦擅长于理论分析概括，他们相辅相成，导致了科学上的重大突破。1855年，24岁的麦克斯韦发表了他的论文论法拉第的力线，对法拉第的力线概念进行了数学分析。1862年，他继续发表了论物理的力线。在这篇论文中，他不但解释了法拉第的实验研究结果，而且还发展了法拉第的场的思想，提出了涡旋电场和位移电流的概念，初步提出了完整的电磁学理论。1873年，麦克斯韦完成了电磁理论的经典著作电磁学通论，建立了著名的麦克斯韦方程组，以非常优美简洁的数学语言概括了全部电磁现象。麦克斯韦方程组把电荷、电流、磁场和电场的变化用数学公式全部统一起来了。从该方程组可以知道，变化的磁场能够产生电场，变化的电场能产生磁场，它们将以波动的形式在空间传播，因此麦克斯韦预言了电磁波的存在，并且推导出电磁波传播速度就是光速，因此他也同时说明了光波就是一种特殊的电磁波。 麦克斯韦方程组的建立就标志着完整的电磁学理论体系的建立，电磁学通论的科学价值可以与牛顿的自然哲学的数学原理相媲美。 赫兹实验验证电磁波存在1886年，赫兹在进行放电实验时，发现近傍一个没有闭和的线圈也出现了火花，他得到启发，很快制出了可以检测电磁波的电波环。1.2 电磁检测的发展1.2.1 涡流检测的发展1.2.2 磁粉检测的发展1918年，美国人霍克（Hoke）切削钢件的时候 ，发现了钢件纵向磁化的现象；1930年，瓦茨第一次有效的用磁粉探伤检查焊缝的质量，终于使磁粉检测方法的应用基本取得成功，并获得了比较可靠的检测结果，还将研制出的干磁粉成功地应用于焊缝及各种钢铁工件上的探伤。1934年，生产磁粉探伤设备和材料的美国磁通公司（Magnaflux）正式创立，对磁粉检测的应用和发展起了很大的推动作用。 磁粉检测技术早期被用于航空、航海、汽车和铁路部门，被用来检测发动机、车轮轴和其它高应力部件的疲劳裂纹。在二十世纪30年代，各种类型的固定式、移动式磁化设备和便携式磁轭相继研制成功，并得到应用，退磁问题也基本上得到解决。1935年，油磁悬液在美国开始使用。1936年，法国申请了在水磁悬液中添加润湿剂和防锈剂的专利。1938年，德国出版了无损检测论文集，对磁粉检测的基本原理和装置进行了描述。1940年2月，美国编写并出版了磁通粉验的原理教科书。1941年，荧光磁粉投入使用。至此，磁粉检测从理论到实践，已初步形成了一种无损检测方法。1.2.3 漏磁检测的发展1.2.4 微波检测的发展1.2.5 其它电磁检测技术的发展 20世纪90年代，俄罗斯学者率先提出利用加载铁磁构件中产生的磁记忆效应可以检测构件表面的应力集中区。这种磁记忆检测技术可望准确、可靠的探测铁磁构件以应力集中为特征的危险部件和部位，是对金属构件进行早期诊断的一种新的无损检测方法。1.3电磁检测的应用与特点2 涡流检测的应用3 涡流检测的特点涡流检测的局限性：1.3.2 磁粉检测的应用与特点2 磁粉检测的应用和特点磁粉检测的特点是： 只能用于检查铁磁性材料，不能用于检查非铁磁性材料； 只能用来检查表面和近表面缺陷，不能检查埋藏较深的缺陷，可探测的皮下缺陷的埋藏深度一般不超过l2mm； 难于定量确定缺陷埋藏的深度和缺陷自身的高度； 磁化场的方向应与缺陷的主平面相交，夹角应在4590，有时，还需要从不同方向进行多次磁化。 在微波检测中，微波与被检材料（介质）相互作用，介质的电磁特性和对微波场的响应，决定了微波的分布状况和微波波幅、相位的等的变化，是微波检测的理论基础。 微波作用于金属材料时，由于导体对高频电磁场具有显著的趋肤效应，微波在导体中的渗透深度非常小，只有微米数量级或更小，对金属材料内部的缺陷和状态，微波检测并不适用。2 微波检测的应用与特点微波检测具有具有能穿透声速衰减很大的非金属材料的特点。它适用于检测增强塑料、陶瓷、树脂、玻璃、橡胶、固体推进剂和各种复合材料等的构件。微波检测的特点是：设备简单、操作方便，不需要耦合剂。探头到试件间可以通过空气来实现有效的耦合，不存在耦合剂污染的问题。同时，由于微波检测可以实施“非接触”的检测和测试，故便于连续、快速测量和实现自动化。微波检测不足之处就是它的灵敏度受到工作频率的限制。微波虽然能探测确定金属表面2微米裂纹的位置，但不能穿透金属或导电性能较好的复合材料，如碳纤维增强塑料等。由于趋肤效应，它不适合检测这类材料和构件的内部缺陷。1.3.4 漏磁检测的应用与特点 2 漏磁检测应用与特点漏磁检测方法的局限性：1.3.5 其它电磁无损检测技术的应用与特点 电位差法仅须从试件的一侧进行测量而不受背面条件的限制，操作方便，适用于一切导电试件。 电位差法需要试件的电阻率均一且各向同性，