金属材料检测技术电流与磁场

图2通电圆柱导体右手定则图2通电圆柱导体右手定则电流与磁场一、通电圆柱导体的磁场电流的磁效应1820年，丹麦科学家奥斯特通过实验证明，有电流通过的导体内部和周围都存在着磁场，这种现象称为电流的磁效应。通电圆柱导体磁场方向判定当电流流过圆柱导体时，产生的磁场是以导体中心轴线为圆心的同心圆，如图1所示。在半径相等的同心圆周上，磁场强度相等。图1通电圆柱导体的磁场a）导体内的磁场b）导体外的磁场实验证明：磁场的方向与电流方向有关，当导体中的电流方向改变时，磁场的方向也随之改变。通电圆柱导体中磁场的方向可用右手定则确定，用右手握住导体，使拇指指向电流方向，其余四指卷曲的指向就是磁场的方向，如图2所示。电流方向通电圆柱导体磁场强度大小计算通电圆柱导体表面的磁场强度由安培环路定理€H•dl，EI推导，因圆周对称,所以沿圆周积分可得2„R式中：H 磁场强度，A/m；I——电流强度，A；R 圆柱导体半径，m。通电圆柱导体外部r处(r》R)的磁场强度可由安培环路定理推导计算出，它与圆柱导体中通过的电流I成正比，而与该处至导体中心轴线的距离r成反比。f-对尸>R时，€B•dl,B2„r,卩I0卩IB=/r (r>R)H=嘉(r>R) (2)通电圆柱导体内部r处(r<R)的磁场强度可由安培环路定理推导计算出，它与圆柱导体中通过的电流I成正比，与至圆柱导体中心轴线的距离r成正比，而与圆柱导体半径R的平方成反比。I对r<R时,€B•dl,B2„r,卩 r2对r<R时,0兀R2VR)(rVVR)(3)小结:(1)通电圆柱导体外部r处(rNR)的磁场强度：(2)通电圆柱导体内部(1)通电圆柱导体外部r处(rNR)的磁场强度：(2)通电圆柱导体内部r处rVR)的磁场强度：H,Ir2„R2注：R一圆柱导体的半径(m)r一圆柱导体外部某点至导体中心轴线的距离(m)例1：圆柱导体直径为20cm,通以4000A的直流电，求与导体中心轴相距5cm、10cm、20cm各点的磁场强度？解：R=D/2=20cm/2=10cmr=5cm<10cmAH=Ir/2nR2=4000X0.05/2nX0.1X0.1=3185(A/m)r=10cm=10cm .\H=I/2nr=4000/2nXO.1=6369(A/m)r=20cm>10cm .\H=I/2nr=4000/2nXO.2=3185(A/m)答：与导体中心轴相距5cm、10cm>20cm各点的磁场强度分别为：3185A、6369A、3185AO例2：圆柱导体长1000mm,直径为100mm,进行磁粉检测，要求导体表面的磁场强度达到2400A/m,求需要的磁化电流。枷口"日/*业尔d D100x0.001解：已知导体半径R=—= =0.052 2I=2,RH=2x3.14x0.05x2400=753.6应用图3钢棒通交、直流电磁化的磁场强度分布其共同点是：在钢棒中心处，磁场强度为零；2） 在钢棒表面，磁场强度达到最大；3） 离开钢棒表面，磁场强度随r的增大而下降。其不同点是：1） 直流电磁化，从钢棒中心到表面，磁场强度直线上升到最大值；2） 交流电磁化，由于集肤效应，只在钢棒近表面才有磁场强度，并缓慢上升，在接近钢棒表面时迅速上升达到最大值。用交流电和直流电磁化同一钢棒时，磁感应强度分布如图4所示。图4钢棒通交、直流电磁化的磁感应强度分布与图3的不同点是：1） 由于钢棒的磁导率高，又因为B=卩H，所以磁感应强度远大于磁场强度，Bm远大于Hm°2） 离开钢棒表面，在空气中，€，1，B,H,所以磁感应强度突降后与磁场r强度曲线重合。（2）钢管中心导体法磁化用直流电中心导体法磁化钢管时，磁场强度和磁感应强度的分布见图5所示，其特点是：（1）通电铜棒内外磁场强度的分布与钢棒的分布是一样的。钢管内是空气，由于铜棒的ur^l,所以管内只存在磁场强度H；在钢管上由于nr>>L所以能感应产生较大的磁感应强度；由于H=I/2jir,且钢管的内径小于外径，因此钢管内壁的磁感应强度和磁场强度都大于钢管外壁的，钢管内壁的检测灵敏度高；离开钢管外表面，在空气中B^H,所以磁感应强度突降后与磁场强度曲线重合。图5直流电中心导体法磁化钢管的磁场强度和磁感应强度分布采用中心导体法对钢管进行磁化时，一般推荐采用直流电或三相全波整流电。采用脉动成分很大的交流电磁化时，由于电磁感应在钢管内表面产生很大的涡电流，从而产生很大的磁感应强度，而钢管外表面磁感应强度变得很小，容易造成漏检缺陷。二、通电钢管的磁场磁场方向判定同通电圆柱导体的磁场一样，用右手定则来确定。通电钢管磁场强度大小计算(1)钢管内部空心部分根据安培环路定理，内部空心部分(含内表面)不包括任何电流，所以其磁场强度为零H=QO(2)钢管横截面内部

钢管所通直流电的电流强度为I,铜管横截面的电流密度为J。根据安培环路定理，有』H・dl=£1…(r2—R2)…钢管所通直流电的电流强度为I,铜管横截面的电流密度为J。根据安培环路定理，有』H・dl=£1…(r2—R2)…(R2—R2) 12IK(r2一R2) 1—2…r…(R2-R2)2 1I(r2一R2)——1 一R2)1I(r2一R2)

1—

2…r(R2一R2)2 1(4)钢管外表面（rI2…R2（4）钢管外部(5)(2)注：R一钢管的内半径（m）1R一钢管的外半径（m）2r一钢管内/外部某点至钢管中心轴线的距离（m）钢管通直流电磁化的磁场强度分布如图6所示,通电钢管的磁场强度的分布特点是钢管内部磁场强度为零，所以不能用磁粉检测的方法来检测内表面的缺陷。锅带横哉面图6钢管通直流电磁化的磁场强度分布例1：钢管规格^100X6mm。采用中心同轴穿棒法磁化，若磁化电流I=1600A，试计算管内、外壁上的磁场强度为多少A/m?

解：已知D外=100mm=0.Im；D内=100-(2X6)=88mm=0.088m;I=1600A求H内二？H外二？VH内=1/2nR AH内二1/nD内=1600/nX0.088=5787.5A/m•「H夕卜=1/2nR .・.H夕b=I/nD外=1600/nX0.1=5093A/m答：H内=5787.5A/m；H外=5093A/m。三、通电线圈的磁场1.磁场方向判定在线圈中通以电流时，线圈内产生的磁场是与线圈轴平行的纵向磁场。其方向可用右手定则确定:用右手握住线圈，使四指指向电流方向，与四指垂直的拇指所指的方向就是线圈内部磁场的方向，如图7所示。图7通电线圈产生的纵向磁场

a）通电线圈磁化b）右于定则2.空载线圈磁场强度大小计算空载通电线圈中心的磁场强度如图8所示。图8空载通电线圈中心的磁场强度图8空载通电线圈中心的磁场强度根据毕奥-萨伐尔定律可得空载通电线圈中心的磁感应强度为(6)(7)1NI2(6)(7)1NI2气：L2+D2H-磁场强度，A/m；N――线圈匝数；I电流，A；L线圈长度，m；D线圈直径，m；a――线圈对角线与轴线的夹角式中(8)B=丄卩nI(cos,一cos,)=卩nIcos以TOC\o"1-5"\h\z2 0 2 1 0\o"CurrentDocument"TTB丁 NTL NI\o"CurrentDocument"H=—=nIcosa=——I— ——=―, —卩0 L \丄2+D2 匕丄2+D2空载通电线圈端部的磁感应强度为其中心的一半线圈分类（1）按通电线圈的结构分为1）软电缆缠绕在工件上的缠绕线圈2）将绝缘导线绕在骨架内的螺管线圈螺管线圈是具有螺旋绕组的圆筒形线圈，分单层和多层绕组两种。单层螺管线圈是单根绝缘导线均匀而紧密排列的同轴线圈；多层螺管线圈相当于若十个半径不等的同轴螺管线圈。（2）按线圈横截面积与被检工件横截面积的比值一一充填因数（填充）分为:1）低充填因数线圈线圈的横截面积与被检工件横截面积之比大于或等于10倍时。磁化电流计算公式偏心放置：I=45000/N（L/D）；正中放置I=1690R/N[6(L/D)-5]；2）中充填因数线圈当线圈大于2倍而小于10倍被检工件横截面积时。磁化电流计算公式10一Y Y一2IN=(IN)10一L+(IN)Y_2h8 1 83）高充填因数线圈用固定线圈或电缆缠绕进行检测，若此时线圈的截面积小于或等于2倍工件截面积（包括中空部分）时。磁化电流计算公式1=35000/N[（L/D）+2]；（3）按通电线圈的长度L和内径D的比分为：1）短螺管线圈（LVD）在短螺管线圈内部的中心轴线上，磁场分布极不均匀。中心比两端强（见图9a）。在线圈横截面上，靠近线圈内壁的磁场强度较线圈中心强（见图9b）。图9短螺管线圈磁场分布示意图a）中心轴线上的磁场分布 b）横截面上的磁场分布2）有限长螺管线圈（L>D）在有限长螺管线圈内部的中心轴线上，磁场分布较均匀，磁感应线方向与中心轴线平行，线圈两端处的磁场强度为中心的一半（见图10）。在线圈横截面上，靠近线圈内壁的磁场强度较线圈中心强。图10有限长螺管线圈中心轴线上的磁场分布3)无限长螺管线圈(L>>D无限长螺管线圈内部磁场分布均匀，并且磁场只存在于线圈内部，磁感应线方向与线圈的中心轴线平行。4.应用开路磁化把需要磁化的工件放在线圈中进行磁化或对大型工件进行绕电缆磁化，常称为线圈法开路磁化。线圈法磁化的磁化力一般用安匝数表示。线圈法磁化工件时，由于在工件两端产生磁极，因而会产生退磁场。闭路磁化把线圈绕在铁心上构成电磁轭或交叉磁轭对工件进行的磁化称为磁轭法闭路磁化。磁轭法磁化时，以提升力来衡量导入工件中的磁感应强度或磁通。磁轭法磁化工件不产生磁极，因而没有退磁场。例1：钢制轴类试件L/D=22，正中放入N为5匝的低充填因数线圈中检查周向缺陷。已知线圈的半径R=150mm，需要选用多大的磁化电流？解：已知L/D=22取15； R=150mm求I=?(A)VI=1690R/N[6X(L/D)—5]=1690X150/5X[6X(15)—5]=596.5A答：要选用596.5A的磁化电流。例2:已知开路线圈的内半径R=150mm,宽度L=50mmo若要求在线圈轴线端部产生磁化强度H端=600e,试求磁化线圈的安匝NI为多少？解：已知R=150mm；L=50mm；H端=600e求NI=？―1_NI2\丄2+D2Ni=2H；L2+D2=2x600x如50?+3002=1510答：磁化线圈的安匝NI为1510安匝。例3:有两个长为30mm,直径为20mm的钢制轴类试件需检查周向缺陷。若选用连续法线圈纵向磁化，则应施加多大的磁化电流？.解：已知L=30mmD=20mmL/D=30/20=1.5<2.•.要将两个连起