Определение. Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодействия между движущимися электрическими зарядами, называют магнитными.

Вывод. Подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.

Работа с учебником: найти определение магнитного поля, прочитать, записать в тетрадь, рассказать соседу.

2. Будет ли отклоняться второй проводник, если выключить ток в первом проводнике? (Продемонстрировать)
3. Будет ли действовать магнитное поле на проводник без тока? (Продемонстрировать)
4. Что может служить индикатором магнитного поля?
5. Будет ли отклоняться магнитная стрелка вблизи проводника, если по нему пропускать ток?

Сообщение студента (Приложение 1)

Работа в группах.

Задание 1. Повторить опыт Эрстеда.
Задание 2.Взаимодействие постоянных магнитов.
Задание 3. Взаимодействие витка с током и постоянным магнитом.
Задание 4 Взаимодействие катушек с током, направленным в одну сторону.
Задание 5. Взаимодействие витков с током, направленным в разные стороны.

Отчет групп.

Вывод. Движущиеся заряды (электрический ток) создают магнитное поле. Обнаруживается магнитное поле по действию на электрический ток.

Проблема: Каковы свойства магнитного поля?

Беседа, в результате которой получаем:

1. Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).
2. Магнитное поле обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды).
3. Магнитное поле непрерывно и неограниченно.
4. Магнитное поле существует реально и не зависит от нашего сознания.
5. Действие магнитного поля может быть больше или меньше.
6. Магнитное поле зависит от силы и направления электрического тока.

Следовательно, магнитное поле должно характеризоваться некоторой векторной величиной.

Проблема. Какая величина является характеристикой магнитного поля?

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . Условились считать, что вектор магнитной индукции в произвольной точке поля совпадает по направлению с силой, которая действует на северный полюс бесконечно малой магнитной стрелки, помещенной в эту точку поля. Сила, действующая со стороны магнитного поля на южный полюс стрелки, направлена в сторону противоположную вектору . Следовательно, в магнитном поле на магнитную стрелку действует пара сил, поворачивающая ее таким образом, чтобы ось стрелки, соединяющая южный полюс с северным, совпадала с направлением поля, т.е. с вектором .

Магнитные поля, в каждой точке которых действуют одинаковые по величине и направлению магнитные силы, называют однородными.

Вывод. Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Магнитные поля могут быть однородными и неоднородными.

Эксперимент (приборы на столах)

1. Вокруг проводника с током расположите несколько магнитных стрелок, включить ток. Как расположились стрелки?
2. Измените направление тока. Как расположились стрелки?
3. Сделать вывод.

Работа с учебником. Как определить направление вектора магнитной индукции?

Формулировка правила буравчика. (записать в тетрадь )

Проблема. Электрическое поле можно изобразить графически. А магнитное поле?

Вводится понятие линий магнитной индукции.

Виртуальная лабораторная работа “Наблюдение силовых линий магнитного поля”.

Цель работы: Изучить расположение силовых линий магнитного поля прямого тока, кругового тока, соленоида.

Выполнение работы:

1. Работа с “Открытой физикой”.
2. Тема: “Электричество и магнетизм”.
3. Открыть модели: “Магнитное поле прямого тока”, “Магнитное поле кругового витка с током”, “Магнитное поле соленоида”.
4. Для каждой модели зарисовать картинку с силовыми линиями магнитного поля.
5. Изменить направление тока (сделать его отрицательным). Что изменилось?
6. Сделать выводы по работе. Особенности линий магнитной индукции.

Картину линий магнитной индукции можно сделать видимой, воспользовавшись мелкими железными опилками.

Работа в группах.

1. Магнитное поле полосового магнита.
2. Магнитное поле подковообразного магнита.

Отчет групп (готовят заранее слайды для презентации).

Понятие вихревого поля.

Вывод. Магнитные поля графически изображается линиями индукции. Линии индукции магнитного поля реально не существуют. Это удобная графическая модель характеристики направления сил магнитного поля. Линии магнитной индукции всегда замкнуты.

Силовые линии однородного магнитного поля параллельны друг другу, а количество силовых линий через единичную площадку в любой области поля одинаково.

Какие это поля?

Ответ студентов. Чем они отличаются от однородного?

Решить задачи (Закрепить знание правила буравчика и применение этого правила).

1. По проводу идет электрический ток. В каком направлении повернется магнитная стрелка, помещенная в точку А? в точку С?

2)

Вывод. Итак, мы научились находить направление вектора магнитной индукции. Надо научиться определять модуль В.

Проблема. Выяснить экспериментально, от чего зависит сила действующая на проводник с током в магнитном поле.

Установка на рис. 136 Физика – 10. Г. Я. Мякишев

Выясняем, что

— сила достигает максимального значения, когда магнитная индукция перпендикулярна проводнику;

—  F_max ~ I

— не зависит ни от силы тока в проводнике, ни от длины участка проводника.

В =

Работа с учебником. Найти определение модуля вектора магнитной индукции, прочитать, записать в тетрадь и рассказать соседу.

Вывод. В каждой точке магнитного поля могут быть определены направление вектора магнитной индукции и его модуль с помощью измерения силы, действующей на участок проводника с током

IV. Закрепление материала.

I. Разбор вопросов (для сравнения электростатического и магнитного полей):

1) Что является источником:

а) электростатического поля? (электрические заряды)
б) магнитного поля? (движущиеся электрические заряды – электрический ток)

2) При помощи чего передается взаимодействие:

а) электрических токов? (магнитным полем одного тока на другой ток; магнитными силами)
б) электрических зарядов? (электрическим полем одного заряда на другой заряд; электрическими силами)

3) Что является индикатором:

а) электростатического поля? (электрические заряды)
б) магнитного поля? (движущиеся электрические заряды – электрический ток)

4) Можно ли разрезать магнит так, чтобы один из полученных магнитов имел только северный полюс, а другой только южный?

5) В романе Жюля Верна “Пятнадцатилетний капитан” подлый Негоро один компас разбивает, а под другой подкладывает топор. А почему бы ему не разбить оба? И топор подложить нужно было умеючи, не так ли? Почему?

II. Решение задач.

1. Проводник, активная длина которого 0,3 м, находится в однородном магнитном поле перпендикулярно его линиям индукции. Определить индукцию магнитного поля, если оно, взаимодействуя с магнитным полем тока, выталкивает проводник с силой 1,2 Н, когда по нему проходит ток 4А (на доске с полным объяснением).

Самостоятельная работа.

I вариант

По проводнику длиной 45 см протекает ток силой 20 А. Чему равна индукция магнитного поля, в которое помещен проводник, если на проводник действует сила 9мН?

II вариант

Определите модуль силы, действующей на проводник с током длиной 20 см при силе тока 10 А в магнитном поле с индукцией 0,13 Тл.

V. Обобщение и подведение итогов урока. Мы сегодня с вами изучили Магнитное поле (пишем на доске в овале, напротив каждой стрелки – свойства, характеристики, т.е. составляем кластер “Магнитное поле”.

Итак, что же представляет собой магнитное поле? Магнитное поле- – это особый вид материи, о котором мы судим по его проявлению. Важнейшим свойством магнитного поля является его способность действовать с силой на проводник с током или движущиеся заряды. Природа магнитного поля до сих пор не раскрыта, но вот его свойства давно установлены и этими свойствами пользуются для решения различных задач.

VI. Домашнее задание: 11.2, заполнить таблицу “Сравнительная характеристика электрических и магнитных полей” (начата при изучении электрического поля).

Подготовить сообщения: “История развития магнетизма”, “Магнитное поле земли” (желательно с презентацией).

7 «Б»

Урок
1/1		Что изучает физика. Физические термины. Наблюдения и опыты.	§ 1 — 3, Л № 5, 12
2/2		Физические величины. Измерение физических величин. Погрешность и точность измерений	§ 4, 5, упр.1
3/3		Определение цены деления измерительного прибора	§ 4, 5
4/4		Физика и техника	§ 6,
		Первоначальные сведения о строении вещества
5/1		Строение вещества. Молекулы	§ 7, 8
6/2		Определение размеров малых тел	§ 7, 8
7/3		Движение молекул. Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах	§ 9,
8/4		Взаимодействие молекул
9/5		Три состояния вещества	§ 11, 12
10/6		Повторение. Контрольная работа №1 «Первоначальные сведения о строении вещества»	§ 12

Магнитное поле и его характеристики

С давних времён это явление вызывало немало вопросов, более того, до сих пор оно остаётся загадочным. Многие учёные занимались изучением свойств магнитного поля, потому что его потенциал и возможности применения уже тогда казались, без преувеличения огромными.

Как же образуется магнитное поле? Когда электрический ток проходит по проводнику, он создаёт вокруг себя магнитное поле, которое является одной из разновидностей материи, существующей в окружающем нас мире. Это поле обладает некой энергией, проявляющейся в электромагнитных силах, а также способной воздействовать на электрические заряды и на электрический ток в целом.

Влияние магнитного поля на поток заряженных частиц выражается в том, что они отклоняются от своей первоначальной траектории движения в перпендикулярном полю направлении. Магнитное поле, также иногда называют электродинамическим. Такое определение рождается из того, что это поле возникает только вокруг движущихся зарядов, при этом действие магнитного поля,также распространяется только на частицы, находящиеся в движении.

Динамическим магнитное поле называется из-за своего строения. Это некая область пространства, в котором находятся бионы – передатчики всех возможных в нём взаимодействий. Они постоянно вращаются, т. е., находятся в движении. Отсюда и динамическая характеристика поля — данное явление возникает, когда бионы приходят в движение, т. е., начинают вращаться. 

Вывести их из состояния покоя способен лишь движущийся заряд. Когда он попадает в зону магнитного поля, то воздействуя на бион и, притягивает один из его полюсов. Таким образом, все бионы начинают вращаться. Если не будет заряда, то и бионы не будут вращаться, так как нет никаких других сил, которые бы воздействовали на него.

Электромагнитное поле

Магнитное поле не может существовать само по себе, как уже было сказано, причиной его возникновения является электрический заряд. Следовательно, магнитные и электрические поля неразрывно связаны между собой. Они всегда существуют в едином электромагнитном поле.

Взаимодействие их происходит следующим образом: изменения в электрическом поле заставляют меняться и магнитное поле, также верно и обратное утверждение, если изменения происходят в магнитном поле, то это сразу отражается на характеристиках электрического поля.

Основой этого поля также является заряженные частицы, движущиеся со скоростью света, которая составляет 300 тысяч километров в секунду. Это значит, что и электромагнитное поле распространяется и изменяется именно с этой же скоростью.

Изображение характеристик магнитного поля

Часто приходится сталкиваться с необходимостью изображения магнитного поля графически – на схемах. Так как его свойства важны, и их нужно учитывать при различных расчётах, то обозначать их необходимо. Но как уже было сказано, скорость распространения поля слишком велика, чтобы можно было что-то зафиксировать, поэтому применяются схематические изображения магнитного поля, которые отражают его свойства.

Основным способом обозначения магнитного поля на схемах являются условные силовые линии. Направление каждой такой линии совпадает с направлением действия сил в магнитном поле. Эти линии всегда непрерывны и замкнуты, как и любые силы, действующие здесь. Схема автомобильного двигателя работает по такому же принципу. Подробнее вы можете прочитать в авто журнале — www.avtonerd.ru. Там есть статья подробно описывающая этот процесс в двигателе и коробке передач авто.

Чтобы определить направление силовой линии в любой точке магнитного поля, нужно использовать магнитную стрелку, которая имеет схожие с компасом свойства. Когда стрелка попадает в зону действия поля, её северный полюс начинает показывать в направлении действия сил.

Отсюда идут и привычные обозначения: тот конец постоянного магнита, из которого исходят силовые линии, считается его северным полюсом. Тогда как противоположный конец, в котором силы замыкаются, называется южным полюсом магнита. Силовые линии, которые проходят внутри постоянного магнита не обозначаются на схемах.

Обозначение действующих сил с помощью силовых линий далеко не случайно, их можно обнаружить в любом магнитном поле и увидеть невооружённым взглядом. Сделать это можно с помощью металлических опилок. Насыпав их на лист бумаги, и внеся в магнитное поле, можно увидеть, как они начнут двигаться и выстраиваться в определённом порядке. Получившийся рисунок будет напоминать силовые линии, которые и можно увидеть на схеме.

Магнитное поле и его характеристики – это важнейшее явление в физике, которое находит достаточно широкое применение просто потому, что его нельзя не учитывать во многих вопросах. С ними связаны такие понятия как магнитная индукция и магнитная проницаемость.

Чтобы объяснить причины возникновения магнитного поля, необходимо всегда опираться на научные данные и правильный подход, иначе такой целостной картины может и не сложиться, особенно, в случае, когда нужно объяснять более глобальные взаимодействия.

Магнитное поле и его свойства

Магнитное поле это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов. В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.

Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.

Свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием магнитная индукция, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
3. Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды.
4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.
7. Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.

Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное поле и гравитационное магнитное поле. Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей строения этих частиц.

Магнитный момент возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.

Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно.

Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.

Очень удобно наглядно оценить магнитное поле с помощью обычных железных опилок и листка бумаги.
Если мы на постоянный магнит положим лист бумаги, а сверху насыпим опилок, то частички железа выстроятся соответственно силовым линиям магнитного поля.

Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчика или правилу правой руки. Если мы обхватим проводник рукой так, чтобы большой палец смотрел по направлению тока(от плюса к минусу), то 4 оставшиеся пальцы покажут нам направление силовых линий магнитного поля.

А направление силы Лоренца — силы, с которой действует магнитное поле на заряженную частицу или проводник с током, по правилу левой руки.
Если мы расположим левую руку в магнитном поле так, что 4 пальца смотрели по направлению тока в проводнике , а силовые линии входили в ладонь, то большой палец укажет направление силы Лоренца, силы действующей на проводник помещенный в магнитное поле.

На этом собственно всё. Появившиеся вопросы обязательно задавайте в комментариях.

Заметка: учите инглиш? — рейтинг школ английского языка (http://www.schoolrate.ru/) будет вам полезен при выборе.

Магнитные поля и линии магнитного поля

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определение магнитного поля и описание силовых линий различных магнитных полей.

Говорят, что в детстве Эйнштейн был очарован компасом, возможно, размышляя о том, как стрелка ощущала силу без прямого физического контакта. Его способность глубоко и ясно мыслить о действиях на расстоянии, особенно о гравитационных, электрических и магнитных силах, позже позволила ему создать свою революционную теорию относительности.Поскольку магнитные силы действуют на расстоянии, мы определяем магнитное поле для представления магнитных сил. Графическое представление линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля. Как показано на Фиг.1, направление линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный конец стрелки компаса. Магнитное поле традиционно называют B -field .

Рис. 1. Линии магнитного поля определяются так, чтобы они имели направление, которое указывает маленький компас при размещении в определенном месте. (a) Если для отображения магнитного поля вокруг стержневого магнита используются небольшие компасы, они будут указывать в показанных направлениях: от северного полюса магнита к южному полюсу магнита. (Напомним, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным полюсом с точки зрения определения полюсов стержневого магнита.) (B) Соединение стрелок дает непрерывные линии магнитного поля.Сила поля пропорциональна близости (или плотности) линий. (c) Если бы можно было исследовать внутреннюю часть магнита, было бы обнаружено, что силовые линии образуют непрерывные замкнутые контуры.

Маленькие компасы, используемые для проверки магнитного поля, его не побеспокоят. (Это аналогично тому, как мы тестировали электрические поля с помощью небольшого пробного заряда. В обоих случаях поля представляют только объект, создающий их, а не тестирующий их зонд.) На рисунке 2 показано, как магнитное поле появляется для токовой петли и длинный прямой провод, который можно исследовать с помощью небольшого компаса. Небольшой компас, помещенный в эти поля, выровняется параллельно линии поля в своем местоположении, а его северный полюс будет указывать в направлении B . Обратите внимание на символы, используемые для ввода и вывода из бумаги.

Рис. 2. Маленькие компасы можно использовать для картирования полей, показанных здесь. (а) Магнитное поле круговой токовой петли похоже на магнитное поле стержневого магнита. (б) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими кольцевые петли. (c) Когда проволока находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге.Обратите внимание, что символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвоста стрелки), и поля, указывающего наружу (например, наконечника стрелки).

Поле — это способ отображения сил, окружающих любой объект, которые могут воздействовать на другой объект на расстоянии без видимой физической связи. Поле представляет объект, его генерирующий. Гравитационные поля отображают гравитационные силы, электрические поля отображают электрические силы, а магнитные поля отображают магнитные силы.

Обширные исследования магнитных полей выявили ряд жестких правил. Мы используем линии магнитного поля для представления поля (линии — это графический инструмент, а не физическая сущность сами по себе). Свойства силовых линий магнитного поля можно описать следующими правилами:

1. Направление магнитного поля касается силовой линии в любой точке пространства. Маленький компас укажет направление линии поля.
2. Сила поля пропорциональна близости линий.Он точно пропорционален количеству линий на единицу площади, перпендикулярной линиям (так называемая поверхностная плотность).
3. Силовые линии магнитного поля никогда не могут пересекаться, а это означает, что поле уникально в любой точке пространства.
4. Линии магнитного поля непрерывны, образуют замкнутые контуры без начала и конца. Они идут от северного полюса к южному полюсу.

Последнее свойство связано с тем, что северный и южный полюса не могут быть разделены. Это явное отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются и заканчиваются на положительных и отрицательных зарядах.Если бы магнитные монополи существовали, то силовые линии магнитного поля начинались бы и заканчивались на них.

Сводка раздела

• Магнитные поля могут быть графически представлены силовыми линиями магнитного поля, свойства которых следующие:
  • Поле касается линии магнитного поля.
  • Напряженность поля пропорциональна линейной плотности.
  • Линии поля не могут пересекаться.
  • Полевые линии представляют собой непрерывные петли.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, почему магнитное поле не может быть уникальным (то есть не иметь единственного значения) в точке пространства, где силовые линии магнитного поля могут пересекаться.(Учитывайте направление поля в такой точке.)
2. Перечислите сходства силовых линий магнитного и электрического поля. Например, направление поля касается линии в любой точке пространства. Также укажите, чем они отличаются. Например, электрическая сила параллельна силовым линиям электрического поля, тогда как магнитная сила, действующая на движущиеся заряды, перпендикулярна силовым линиям магнитного поля.
3. Отмечая, что силовые линии магнитного поля стержневого магнита напоминают силовые линии пары равных и противоположных зарядов, ожидаете ли вы, что магнитное поле будет быстро уменьшаться в силе с расстоянием от магнита? Это согласуется с вашим опытом работы с магнитами?
4. Магнитное поле Земли параллельно земле во всех местах? Если нет, то где она параллельна поверхности? Его сила одинакова во всех местах? Если нет, то где оно больше всего?

Глоссарий

Магнитное поле:

представление магнитных сил

B — поле:

другой термин для обозначения магнитного поля

силовые линии магнитного поля:

графическое изображение силы и направления магнитного поля

направление силовых линий магнитного поля:

направление, на которое указывает северный конец стрелки компаса

Обзор линий магнитного поля и их характеристик

В этом блоге мы рассмотрим теорию магнитных полей и ее основную концепцию. Все мы знаем, что магниты действуют друг на друга, и их магнитная сила распространяется вокруг. Силовые линии магнитного поля используются для описания этих сил вокруг магнита. Мы понимаем, что магниты имеют два полюса и что в зависимости от ориентации двух магнитов может быть притяжение (противоположные полюса) или отталкивание (аналогичные полюса). Мы также понимаем, что есть область вокруг магнита, где это происходит, и это объясняется линиями магнитного поля.

Как нанести на карту основное магнитное поле?

Начнем с силовых линий стержневого магнита, возможно, самого простого случая для анализа.На рисунке 1 мы можем наблюдать картину магнитного поля стержневого магнита, разбросав по нему железные опилки. Когда опилки разбросаны вокруг магнита, они становятся временными магнитами (за счет магнитной индукции) и выстраиваются встык. Опилки имеют тенденцию слипаться вокруг полюсов магнита, указывая на то, что именно здесь магнитное поле наиболее сильное. Линии железных опилок дают представление о расположении магнитного поля. Мы также видим, что все силовые линии начинаются на северном полюсе и заканчиваются на южном полюсе.

Рис. 1. Железные опилки создают узор вокруг стержневого магнита

Характеристики силовых линий магнитного поля:

Графическое изображение силовых линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля. Обширные исследования магнитных полей выявили ряд характеристик, которые помогают нам лучше их понять. Ниже приведены важные характеристики магнитного поля:
• Образует непрерывную замкнутую петлю
• Эластичный по своей природе
• Выбирает путь с наименьшим сопротивлением
• Никогда не пересекает друг друга
• Имеет направление с севера на южный полюс, даже если есть нет движения

Почему важны линии магнитного поля?

Магнитные поля используются во всех современных технологиях, особенно в электротехнике и электромеханике, и имеют решающее значение для понимания техником. Измерение силовых линий магнитного поля помогает нам вычислить:

• Величина магнитного поля
• Направление магнитного поля
• Напряженность магнитного поля

Мы надеемся, что это было полезно для вас как для технического специалиста или студента, выходящего на поле. Если у вас есть какие-либо вопросы о программах по электронике или электромеханику, вы можете связаться с одним из наших консультантов по программе по бесплатному телефону 1-888-553-5333 или по электронной почте info @ gbctechtraining.com.

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли (и поверхностное магнитное поле ) приблизительно представляет собой магнитный диполь, с S-полюсом магнитного поля около географического северного полюса Земли (см. Магнитный северный полюс) и другим северным полюсом магнитного поля вблизи географического географического полюса Земли. южный полюс (см. Южный магнитный полюс). Благодаря этому компас можно использовать для навигации. Причину возникновения поля можно объяснить теорией динамо. Магнитное поле распространяется бесконечно, но ослабевает по мере удаления от источника.Магнитное поле Земли, также называемое геомагнитным полем , которое эффективно распространяется на несколько десятков тысяч километров в космос, формирует магнитосферу Земли. Палеомагнитное исследование австралийского красного дацита и подушечного базальта показало, что возраст магнитного поля составляет не менее 3,5 миллиардов лет. ^{[1] [2]}

Важность

Земля в значительной степени защищена от солнечного ветра, потока энергичных заряженных частиц, исходящих от Солнца, своим магнитным полем, которое отклоняет большинство заряженных частиц. Некоторые из заряженных частиц солнечного ветра захвачены в радиационном поясе Ван Аллена. Меньшему количеству частиц солнечного ветра удается перемещаться, как по линии передачи электромагнитной энергии, в верхние слои атмосферы и ионосферу Земли в зонах полярных сияний.Единственный раз, когда солнечный ветер наблюдается на Земле, — это когда он достаточно силен, чтобы вызывать такие явления, как полярное сияние и геомагнитные бури. Яркие полярные сияния сильно нагревают ионосферу, заставляя ее плазму расширяться в магнитосферу, увеличивая размер плазменной геосферы и вызывая утечку атмосферного вещества в солнечный ветер. Геомагнитные бури возникают, когда давление плазмы, содержащейся внутри магнитосферы, достаточно велико, чтобы раздуваться и тем самым искажать геомагнитное поле.

Солнечный ветер отвечает за общую форму магнитосферы Земли, и колебания ее скорости, плотности, направления и увлекаемого магнитного поля сильно влияют на локальную космическую среду Земли. Например, уровни ионизирующего излучения и радиопомех могут варьироваться от сотен до тысяч раз; а форма и расположение магнитопаузы и головной ударной волны перед ней могут изменяться на несколько радиусов Земли, подвергая геосинхронные спутники воздействию прямого солнечного ветра.Эти явления собирательно называются космической погодой. Механизм атмосферного разрыва вызван захватом газа пузырьками магнитного поля, которые срываются солнечными ветрами. ^[3] Изменения напряженности магнитного поля коррелировали с изменением количества осадков в тропиках. ^[4]

Магнитные полюса и магнитный диполь

Положение магнитных полюсов можно определить как минимум двумя способами ^[5] .

Часто магнитный (наклонный) полюс рассматривается как точка на поверхности Земли, где магнитное поле полностью вертикально. Другими словами, угол наклона поля Земли составляет 90 ° на северном магнитном полюсе и -90 ° на южном магнитном полюсе. На магнитном полюсе компас, удерживаемый в горизонтальной плоскости, указывает случайным образом, в то время как в противном случае он указывает почти на северный магнитный полюс или от Южного магнитного полюса, хотя существуют местные отклонения. Два полюса перемещаются независимо друг от друга и не находятся в прямо противоположных положениях на земном шаре.Магнитный полюс падения может быстро перемещаться, для Северного магнитного полюса ^[6] проводились наблюдения до 40 км в год.

Магнитное поле Земли можно точно описать полем магнитного диполя, расположенного рядом с центром Земли. Ориентация диполя определяется осью. Два положения, в которых ось диполя, которая лучше всего соответствует геомагнитному полю, пересекает поверхность Земли, называются Северным и Южным геомагнитными полюсами. Для наилучшего соответствия диполь, представляющий геомагнитное поле, должен быть размещен примерно в 500 км от центра Земли.Это заставляет внутренний радиационный пояс опускаться ниже в южной части Атлантического океана, где поверхностное поле является самым слабым, создавая то, что называется южноатлантической аномалией.

Если бы магнитное поле Земли было идеально дипольным, геомагнитный и магнитный полюса падения совпадали. Однако важные недиполярные члены в точном описании геомагнитного поля приводят к тому, что положения двух типов полюсов находятся в разных местах.

Характеристики поля

Напряженность поля у поверхности Земли составляет менее 30 микротеслов (0.3 гаусса) на территории, включающей большую часть Южной Америки и Южной Африки, до более чем 60 микротеслов (0,6 гаусс) вокруг магнитных полюсов в северной Канаде и на юге Австралии, а также в части Сибири. Средняя напряженность магнитного поля во внешнем ядре Земли составила 25 Гаусс, что в 50 раз сильнее, чем магнитное поле на поверхности. ^{[9] [10]}

Поле аналогично полю стержневого магнита. Магнитное поле Земли в основном вызвано электрическими токами в жидком внешнем ядре.Ядро Земли горячее, чем 1043 К, температура точки Кюри, выше которой ориентация спинов в железе становится случайной. Такая рандомизация приводит к потере намагниченности вещества.

Конвекция расплавленного железа во внешнем жидком ядре, наряду с эффектом Кориолиса, вызванным общим вращением планеты, имеет тенденцию организовывать эти «электрические токи» в валки, выровненные вдоль полярной оси север-юг. Когда проводящая жидкость течет через существующее магнитное поле, индуцируются электрические токи, которые, в свою очередь, создают другое магнитное поле.Когда это магнитное поле усиливает исходное магнитное поле, создается динамо-машина, которая поддерживает себя. Это называется теорией динамо, и она объясняет, как поддерживается магнитное поле Земли.

Еще одна особенность, которая магнитно отличает Землю от стержневого магнита, — это ее магнитосфера. На больших расстояниях от планеты преобладает поверхностное магнитное поле. Электрические токи, индуцированные в ионосфере, также создают магнитные поля. Такое поле всегда создается вблизи того места, где атмосфера находится ближе всего к Солнцу, вызывая ежедневные изменения, которые могут отклонять поверхностные магнитные поля на величину до одного градуса.Типичные суточные колебания напряженности поля составляют около 25 нанотесла (нТл) (т.е. ~ 1: 2 000), с вариациями в течение нескольких секунд, как правило, около 1 нТл (т.е. ~ 1: 50 000). ^[11]

Вариации магнитного поля

Токи в ядре Земли, создающие ее магнитное поле, возникли по крайней мере 3 450 миллионов лет назад. ^{[12] [13]}

Магнитометры обнаруживают мельчайшие отклонения в магнитном поле Земли, вызванные железными артефактами, печами, некоторыми типами каменных сооружений и даже канавами и мусором в археологической геофизике. С помощью магнитных инструментов, адаптированных на основе бортовых детекторов магнитных аномалий, разработанных во время Второй мировой войны для обнаружения подводных лодок, были нанесены на карту магнитные вариации на дне океана. Базальт — богатая железом вулканическая порода, составляющая дно океана — содержит сильно магнитный минерал (магнетит) и может локально искажать показания компаса. Искажение было признано исландскими мореплавателями еще в конце 18 века. Что еще более важно, поскольку присутствие магнетита придает базальту измеримые магнитные свойства, эти магнитные вариации предоставили еще один способ изучения глубоководного дна океана.Когда вновь образованная порода охлаждается, такие магнитные материалы регистрируют магнитное поле Земли.

Часто магнитосфера Земли поражается солнечными вспышками, вызывающими геомагнитные бури, вызывающие проявления полярных сияний. Кратковременная нестабильность магнитного поля измеряется с помощью K-индекса.

Недавно в магнитном поле были обнаружены утечки, которые взаимодействуют с солнечным ветром Солнца способом, противоположным первоначальной гипотезе. Во время солнечных бурь это может привести к крупномасштабным отключениям электроэнергии и сбоям в работе искусственных спутников. ^[14]

См. Также Магнитная аномалия

Инверсия магнитного поля

Основываясь на изучении лавовых потоков базальта во всем мире, было высказано предположение, что магнитное поле Земли меняет направление на противоположное. с интервалами от десятков тысяч до многих миллионов лет, со средним интервалом примерно 300 000 лет. ^[15] Однако последнее такое событие, называемое инверсией Брюнес – Матуяма, произошло примерно 780 000 лет назад.

Нет четкой теории относительно того, как могли произойти геомагнитные инверсии. Некоторые ученые создали модели ядра Земли, в которых магнитное поле лишь квазистабильно, а полюса могут самопроизвольно перемещаться из одной ориентации в другую в течение от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Другие ученые предполагают, что геодинамо сначала отключается самопроизвольно или из-за какого-то внешнего воздействия, такого как удар кометы, а затем перезапускается с магнитным «северным» полюсом, указывающим либо на север, либо на юг.Внешние события вряд ли будут обычными причинами инверсий магнитного поля из-за отсутствия корреляции между возрастом ударных кратеров и временем инверсий. Независимо от причины, когда магнитный полюс переключается из одного полушария в другое, это называется инверсией, тогда как временные изменения наклона диполя, которые перемещают ось диполя через экватор, а затем возвращаются к исходной полярности, известны как отклонения.

Исследования потоков лавы на горе Стинс, штат Орегон, показывают, что магнитное поле могло смещаться со скоростью до 6 градусов в день в какой-то момент истории Земли, что значительно бросает вызов популярному пониманию того, как работает магнитное поле Земли. . ^[16]

Палеомагнитные исследования, подобные этим, обычно состоят из измерений остаточной намагниченности магматических пород в результате вулканических событий. Осадки, отложенные на дне океана, ориентируются в соответствии с местным магнитным полем, сигнал, который может быть записан по мере их затвердевания. Хотя залежи магматических пород в основном парамагнитны, они действительно содержат следы ферри- и антиферромагнитных материалов в виде оксидов железа, что дает им способность обладать остаточной намагниченностью.Фактически, эта характеристика довольно часто встречается во многих других типах горных пород и отложений, обнаруженных по всему миру. Одним из наиболее распространенных оксидов, обнаруживаемых в естественных отложениях горных пород, является магнетит.

В качестве примера того, как это свойство магматических пород позволяет нам определить, что поле Земли в прошлом менялось, рассмотрим измерения магнетизма на океанских хребтах. Прежде чем магма выйдет из мантии через трещину, она имеет чрезвычайно высокую температуру, превышающую температуру Кюри любого оксида железа, который она может содержать. Лава начинает остывать и затвердевать, когда попадает в океан, позволяя этим оксидам железа в конечном итоге восстановить свои магнитные свойства, в частности, способность удерживать остаточную намагниченность. Если предположить, что единственное магнитное поле, присутствующее в этих местах, связано с самой Землей, эта затвердевшая порода становится намагниченной в направлении геомагнитного поля. Несмотря на то, что напряженность поля довольно мала, а содержание железа в типичных образцах горных пород невелико, относительно небольшая остаточная намагниченность образцов находится в пределах разрешающей способности современных магнитометров.Затем можно измерить возраст и намагниченность застывших образцов лавы, чтобы определить ориентацию геомагнитного поля в древние эпохи.

Обнаружение магнитного поля

Напряженность магнитного поля Земли была измерена Карлом Фридрихом Гауссом в 1835 году и с тех пор неоднократно измерялась, показывая относительное уменьшение около 10% за последние 150 лет. ^[17] Спутник Magsat и более поздние спутники использовали 3-осевые векторные магнитометры для исследования трехмерной структуры магнитного поля Земли. Более поздний спутник Эрстеда позволил провести сравнение, показывающее динамическое геодинамо в действии, которое, похоже, порождает альтернативный полюс под Атлантическим океаном к западу от Южной Африки. ^[18]

Правительства иногда используют подразделения, специализирующиеся на измерении магнитного поля Земли. Это геомагнитные обсерватории, обычно входящие в состав национальной геологической службы, например, обсерватория Эскдалемуир Британской геологической службы.Такие обсерватории могут измерять и прогнозировать магнитные условия, которые иногда влияют на связь, электроэнергию и другую деятельность человека. (См. Магнитную бурю.)

Международная сеть магнитных обсерваторий в реальном времени с более чем 100 взаимосвязанными геомагнитными обсерваториями по всему миру с 1991 года регистрирует магнитное поле Земли.

Военные определяют местные характеристики геомагнитного поля по порядку. для обнаружения аномалий на естественном фоне, которые могут быть вызваны значительным металлическим объектом, например, затопленной подводной лодкой.Как правило, эти детекторы магнитных аномалий используются в самолетах, таких как британский Nimrod, или буксируются в качестве инструмента или набора инструментов с надводных кораблей.

В коммерческих целях геофизические разведочные компании также используют магнитные детекторы для выявления естественных аномалий рудных тел, таких как Курская магнитная аномалия.

Животные, включая птиц и черепах, могут обнаруживать магнитное поле Земли и использовать это поле для навигации во время миграции. ^[19] Коровы и дикие олени склонны выстраивать свои тела с севера на юг во время отдыха, но не тогда, когда животные находятся под высоковольтными линиями электропередач, что заставляет исследователей полагать, что причиной этого является магнетизм. Дайсон, П.Дж. (2009). «Биология: электрические коровы». Nature 458 (7237): 389. DOI: 10.1038 / 458389a. PMID 19325587.

Внешние ссылки

• Уильям Дж. Брод, Будет ли компас указывать на юг? . New York Times, 13 июля 2004 г.
• John Roach, Почему меняется магнитное поле Земли? . National Geographic, 27 сентября 2004 г.
• Когда север идет на юг . Проекты в области научных вычислений, 1996.
• Трехмерный имитатор заряженных частиц в магнитном поле Земли . Инструмент, предназначенный для трехмерного моделирования заряженных частиц в магнитосфере. [Требуется подключаемый модуль VRML]
• Великий Магнит, Земля , История открытия магнитного поля Земли Дэвидом П. Стерном.
• Исследование магнитосферы Земли , Образовательный веб-сайт Дэвида П. Стерна и Маурисио Передо

Статические магнитные поля (0 Гц)

Характеристики поля и его использование

Статические магнитные поля — это постоянные поля, которые не меняют свою интенсивность или направление с течением времени, в отличие от переменных полей низкой и высокой частоты. Следовательно, они имеют частоту 0 Гц. Они оказывают притягивающее действие на металлические предметы, содержащие, например, железо, никель или кобальт, поэтому для этой цели обычно используются магниты. В природе геомагнитное поле Земли действует с юга на север, что позволяет, например, работать с компасом. Гораздо более сильные поля создаются некоторыми типами промышленного и медицинского оборудования, например, устройствами для медицинской резонансной томографии (МРТ).

Сила статического магнитного потока выражается в теслах (Тл) или в некоторых странах в гауссах (Гс).Сила естественного геомагнитного поля варьируется от 30 до 70 мкТл (1 мкТл составляет 10 ^-6 Тл). Бытовые магниты имеют силу порядка нескольких десятков миллитесла (1 мТл = 10 ^-3 Тл). Напротив, поля оборудования МРТ варьируются от 1,5 до 10 т.

Воздействие статических магнитных полей на тело и последствия для здоровья

Существует несколько известных механизмов, с помощью которых статические магнитные поля могут влиять на биологические системы.Магнитные поля действуют не только на металлические предметы, но и на движущиеся электрические заряды. Что касается биологического функционирования, воздействие статических магнитных полей будет влиять на электрически заряженные частицы и клетки в крови при движении через это поле. Магнитная сила может ускорять или уменьшать движение восприимчивых частиц. Примером может служить снижение скорости прохождения кровяных клеток по кровеносным сосудам. Еще один механизм — сложные электронные взаимодействия, которые могут влиять на скорость конкретных химических реакций.

Только когда люди подвергаются воздействию сильных магнитных полей, например, создаваемых оборудованием МРТ, или в некоторых специализированных исследовательских учреждениях, могут возникнуть ощутимые эффекты на человеческом теле. Поля напряжением 2–3 Тл и выше могут вызывать преходящие ощущения, такие как головокружение и тошнота. Они возникают в результате генерации небольших электрических токов в балансирующем органе уха. Токи генерируют сигналы в мозг, которые предоставляют информацию, отличную от информации, получаемой через зрение, что приводит к ощущениям головокружения и тошноты.Эти эффекты сами по себе не являются неблагоприятными для здоровья, но они могут раздражать и нарушать нормальное функционирование. Нет никаких доказательств неблагоприятных эффектов воздействия полей до 8 Тл, за исключением ограниченной информации о незначительных эффектах на зрительно-моторную координацию и визуальный контраст.

Защита

Рекомендации ICNIRP по воздействию статических магнитных полей защищают от установленных последствий для здоровья. В ситуациях, связанных с воздействием очень сильных полей, следует разработать специальные рабочие процедуры, чтобы минимизировать влияние преходящих симптомов, таких как головокружение и тошнота.В частности, когда воздействие на рабочем месте связано с движением через сильное статическое магнитное поле, при определенных обстоятельствах рекомендуется ограничивать скорость движения через это поле. Для пациентов, проходящих диагностические процедуры МРТ, ICNIRP также предоставил конкретные рекомендации по безопасному выполнению таких процедур.

Кроме того, органы безопасности должны обеспечить наличие положений для защиты людей, которые носят имплантированные ферромагнитные или электронные медицинские устройства, чувствительные к магнитным полям.

Характеристика магнитных колебаний проходящего под землей скребка, маркированного магнитами

Во время процесса очистки скребком маркированный магнитами скребок может быть эффективно обнаружен путем мониторинга магнитных колебаний (МП), возникающих при прохождении скребка. Чтобы проанализировать влияние различных факторов на МП, описывается принцип обнаружения магнитных флуктуаций (МПД) и устанавливается модель обнаружения. Проанализировано влияние параметров модели, таких как геометрия трубопровода, геомагнитные характеристики, а также проницаемость трубопровода, на распределение магнитных аномалий вдоль измеряемой линии. Исследование показывает, что с увеличением параметров трубопровода (толщины, проницаемости и наружного диаметра) обнаруживаемое МП уменьшается. Длина трубопровода мало повлияет на МП. При увеличении количества магнитов МП увеличивается, оставаясь практически неизменным на двух концах измерительной линии. Следует обратить внимание на установку магнитов, чтобы обеспечить постоянство магнитных моментов. С увеличением геомагнитной интенсивности и склонения МП практически не пострадает, в то время как изменение геомагнитного наклона внесет очевидные изменения в МП.В полевых условиях точки измерения могут быть установлены вдоль и над трубопроводом с определенным интервалом. По измеренной магнитной аномалии можно определить, прошла ли свинья мимо точки или нет.

1. Введение

После длительной эксплуатации нефте- и газопроводы большого диаметра необходимо регулярно очищать от оставшейся грязи [1, 2]. В процессе уборки свинья легко заблокируется, что приведет к серьезным последствиям [2]. Поэтому было очень важно разделить трубопровод на сегменты и отслеживать состояние каждого сегмента в реальном времени.Таким образом, раскопки и спасение свиньи могут быть выполнены вовремя, когда она поймана в ловушку [3]. В настоящее время технологии отслеживания и определения местоположения свиньи в основном состоят из метода радиоактивных изотопов, метода пробега колеса, акустического метода, метода импульса давления и магнитного метода. Qiu et al. проанализированы преимущества и недостатки вышеупомянутых традиционных технологий. Они отметили, что метод электромагнитных импульсов и метод стресса были лучшими и наиболее стабильными технологиями из пяти.Они также предложили своего рода метод онлайн-отслеживания, основанный на принципе оптоволоконной вибрации, который может отслеживать положение свиньи [3]. Поскольку оптоволоконный детектор вибрации обладает высокой чувствительностью, на него легко воздействовать источниками вибрации, такими как проезжающие мимо автомобили. Для мониторинга необходимо проложить оптоволоконный кабель вдоль трубопровода. Поскольку прокладка кабеля представляет собой огромную рабочую нагрузку для проекта, этот подход считается применимым только для некоторых частных случаев [3].

Благодаря простоте источника сигнала и блока детектирования магнитостатическое детектирование имеет уникальные преимущества по сравнению с другими методами [4, 5]. Метод обнаружения магнитных аномалий (MAD) является одним из методов обнаружения свиней [4, 6, 7]. Методы обнаружения магнитных аномалий начали появляться и развиваться в 1990-х годах [8]. В настоящее время MAD в основном основывается на анализе распределения магнитных аномалий в пределах измерительной поверхности или измерительной линии [5, 6, 9, 10], чтобы идентифицировать и позиционировать магнитный источник, такой как неразорвавшиеся боеприпасы (UXO) [11] , подземный трубопровод [6, 12–14] и подземные железные отходы [15, 16].Параметры магнитного диполя восстанавливаются согласно магнитным свойствам магнитного диполя [17]. Применение MAD в наши дни необычно. Связанные исследования в основном включают Li et al. который поместил миниатюрное диагностическое и лечебное устройство в кишечник человека и вычислил положение магнитного устройства, отслеживая магнитное поле вне человеческого тела [18]. Основываясь на обнаружении изменений магнитного поля, индуцированного магнитом в капсульном эндоскопе, Hu et al.предложил новый алгоритм позиционирования для отслеживания положения эндоскопа [19, 20]. Балдони и Йеллен разработали систему магнитного слежения для обнаружения работы механического сердечного клапана [21]. В связи с быстрым развитием различных магнитных датчиков [22, 23], исследование и применение обнаружения магнитных аномалий в вышеуказанных областях может быть завершено экспериментами, но эксперименты имеют некоторые ограничения, и только один случай может быть проанализирован отдельно. Для позиционирования скребка для идентификации источника магнитного поля существует множество факторов, влияющих на точность позиционирования. Если работа выполняется только экспериментально, нагрузка очень велика. Таким образом, метод численного моделирования может быть использован для анализа факторов отдельно. Подводя итог, можно сказать, что MF уже используется для отслеживания и позиционирования материалов [5, 18, 19]. Но применение в отслеживании свиней с магнитной меткой в ​​трубопроводе относительно редко. И влияние геометрии трубопровода, проницаемости трубопровода и установки постоянного магнита на колебания магнитных аномалий все еще требует дальнейшего изучения [6].

Чтобы проверить осуществимость и эффективность метода, который вычисляет положение скребка путем обнаружения МП, создана математическая модель на основе скребка с магнитной меткой [6, 24]. Полностью проанализированы влияющие факторы МП. В то же время связанные эксперименты призваны доказать правильность результатов моделирования. Все исследования в этой статье будут играть теоретически фундаментальную роль в разработке прототипа предлагаемого устройства обнаружения и в то же время поддержат аналитическое исследование измеренных данных [6].

2. Методы

2.1. Параметры модели

Как показано на рисунке 1, в декартовой системе координат начало координат находится в центре геометрии. Ось трубопровода — ось. Чугун, на котором установлены магниты, перемещается по трубопроводу слева направо. Предположим, что пространство для метода конечных элементов ограничено областью кубоида, длина которой равна, ширина равна [6, 13]. Как показано на рисунках 2 и 3, внешний диаметр трубопровода составляет, а толщина составляет.Расстояние между измерительной поверхностью и осью трубопровода составляет [6].

2.2. Теоретический вывод

Геомагнитное поле — это вектор, характеризующийся величиной и направлением. Природа геомагнитного поля такова, что каждый ферромагнитный материал в нем намагничивается, чтобы быть магнитным. В пределах небольшого географического района и короткого промежутка времени геомагнитное поле можно было считать постоянным [25, 26]. Для такого статического магнитного поля без электрического тока, как геомагнитное поле, должно применяться следующее уравнение:

Магнит характеризуется широкой петлей гистерезиса, высокой коэрцитивной силой и остаточной намагниченностью.После намагничивания он станет магнитным с постоянным магнетизмом [20]. Магниты, которые установлены на скребке, намагничивают окружающий магнитный материал и, таким образом, вносят некоторые изменения в магнитное поле области [6, 16]. В численном моделировании остаточная магнитная индукция используется для описания свойств магнита, которая определяется выражением где — интенсивность остаточной намагниченности.

Для граничных условий в анализе методом конечных элементов в статье используется плотность внешнего потока.Применяемые границы — это шесть поверхностей кубоида [24]. Граничное условие задается формулой

Для процесса намагничивания трубопровода уравнение 2 все еще применяется и здесь принимается равным 0.

3. Анализ модели

3.1. Описание модели

Международное геомагнитное поле в Ланфанге, провинция Хэбэй, Китай, в 2017 году указано как поле возбуждения при создании модели. Суммарная магнитная напряженность области 54339,8 нТл, магнитное склонение -6.807 °, магнитное наклонение 58,540 ° [25, 26]. Предположим, что измерительная поверхность всегда находится над землей, а в качестве измерительной поверхности задан участок 3,5 м от трубопровода. Основные параметры кубоида приняты следующие: длина — 100 м, ширина — 20 м, высота — 10 м. Длина трубопровода 70 м, внешний диаметр 0,5 м, толщина стенки 10 мм. Длина свиньи 1 м. Наружный диаметр торца скребка равен 0.45 мес. Шесть одинаковых магнитов равномерно и симметрично распределены на одном конце скребка. По умолчанию проницаемость трубопровода составляет 900. Трубопровод размещен вдоль оси -оси и расположен в центре кубоида. Скребок помещается в середину трубопровода в начале.

Чтобы проверить эффективность магнитного источника в возникновении МП, в моделировании используются два скребка. Один снабжен магнитным источником, а другой — нет [16, 24]. Магнитный источник состоит из шести цилиндрических магнитов, каждый с остаточной плотностью потока 1.2 Тл и магнитный момент, направленный в прямом направлении оси α, диаметр магнита составляет 50 мм, а длина — 60 мм. На рис. 4 показано распределение измеренного магнитного поля для скребка с магнитами. Рисунок 5 соответствует фигуре без магнита.

Сравнивая рисунки 4 и 5, можно увидеть, что при одинаковых параметрах модели наличие магнитов будет иметь очень очевидное влияние на магнитное распределение на измерительной поверхности.Как показано на рисунке 4, магниты вызывают возмущения магнитного поля над скребком. Плавное распределение магнитного поля становится искривленным, а максимальная напряженность увеличивается. На основании этого наблюдаемого явления можно приблизительно определить положение свиньи [16, 24]. Для дальнейшего анализа влияния магнитного источника в качестве измерительной линии указывается трехмерная поперечная линия, которая расположена на высоте 3,5 м и проходит вдоль оси трубопровода. Распределение магнитного поля вдоль этой линии показано на рисунке 6.Из рисунка видно, что магниты, установленные на скребке, вызывают заметное МП вдоль линии измерения. Магнитное поле сначала остается постоянным, затем оно увеличивается до максимума, затем падает до впадины и, наконец, снова становится устойчивым [6]. Максимальная магнитная флуктуация, вызванная постоянными магнитами, составляет около 1200 нТл. Результаты, измеренные измерительной линией, почти совпадают с результатами, полученными на измерительной поверхности.

Когда скребок находится в движении, чтобы изучить влияние скребка на МП в точке измерения, точка измерения должна быть размещена в (0,0,3.5) с диапазоном измерительной линии до. Предположим, что скребок с постоянными магнитами движется с постоянной скоростью. Проанализировано влияние положения скребка на колебания магнитной аномалии в точке измерения. Как показано на рисунке 7, поскольку на обоих концах кривой это далеко от точки измерения, магниты оказывают слабое влияние. Таким образом, шаг измерения выбирается относительно большим. Но от до шаг установлен равным 0,2 м. Таким образом, результаты моделирования ближе к реальным результатам измерений.Из рисунка видно, что МП в точке измерения также проходит через установившийся процесс роста-падения [6]. Когда скребок находится далеко от точки измерения, МП в точке измерения относительно стабильна. Когда скребок приближается к точке измерения, магнитная аномалия в точке измерения сильно колеблется. Максимальное колебание составляет около 1200 нТл. MF снова становится стабильным, когда скребок отходит от точки измерения. Из-за основного соответствия между магнитной аномалией измерительной линии и точкой измерения в последнем исследовании магнитная аномалия измерительной линии может использоваться для замены магнитной аномалии в точке измерения.

3.2. Анализ влияющих факторов

Для изучения влияющих факторов МП, параметры модели в разделе 3.1 будут изучены один за другим. При анализе влияющих факторов в каждом анализе будет только одна переменная, а остальные параметры должны оставаться постоянными.

3.2.1. Глубина заглубления трубопровода

В соответствии с обычной инженерной практикой глубина заглубления трубопровода будет определяться с учетом многих факторов, включая сложные географические структуры, и будет подвергаться множеству ограничений, таких как подземные воды, подземная полость, твердые породы и существующие трубопроводы. [5, 11, 12, 14].Чтобы смоделировать разную глубину заглубления трубопровода, в моделировании используются разные расстояния между трубопроводом и измерительной линией. При неизменных остальных параметрах модели расстояние варьируется от 2 м до 3,5 м с интервалом 0,5 м. Результаты измерения магнитной аномалии вдоль измерительной линии показаны на рисунке 8.

Из рисунка 8 видно, что с увеличением расстояния между измерительной линией и трубопроводом МП уменьшается с 4700 нТл до 1200 нТл. соответственно.

3.2.2. Геометрия трубопровода

Геометрические параметры трубопровода включают внешний диаметр трубопровода, толщину стенки и длину трубопровода. Для конкретных инженерных приложений потребуются разные трубопроводы с разной геометрией [6]. Чтобы изучить влияние геометрии трубопровода на MAD, каждый геометрический параметр будет изучен отдельно. Для каждого исследования изучаемый параметр будет указан как переменный, а остальные — постоянными. Что касается анализа внешнего диаметра трубопровода, на рисунке 9 представлены результаты моделирования, где диаметр изменяется от 500 мм до 700 мм с интервалом 100 мм.

Из рисунка 9 выше видно, что с увеличением внешнего диаметра трубопровода магнитная аномалия на обоих концах измерительной линии практически не изменяется. Но магнитная аномалия над постоянными магнитами соответственно уменьшается в пределах от 1200 нТл до 950 нТл. Причина в том, что при увеличении диаметра трубопровода экранирующий эффект трубопровода от магнитного поля усиливается. Следовательно, магнитная аномалия, вызванная постоянными магнитами, будет труднее обнаруживаться, и ее величина будет меньше.

Для анализа влияния толщины стенки на МП толщина стенки устанавливается от 4 мм до 10 мм с интервалом 2 мм. Результаты моделирования показаны на рисунке 10.

Результаты моделирования показывают, что изменение толщины трубопровода вызовет нелинейное изменение МП. Но с увеличением толщины стенки МП постепенно уменьшается. Основная причина заключается в том, что увеличение толщины стенки приведет к усилению магнитного экранирования. При моделировании МП колеблется от 1500 до 1200 нТл.

Длина трубопровода может составлять от нескольких метров до тысяч метров и даже тысяч километров. Но при моделировании очень сложно смоделировать тысячи километров трубопровода, и это не имеет большого значения [6, 24]. С другой стороны, короткий трубопровод длиной в несколько метров также трудно смоделировать из-за утечки магнитного потока на обоих концах трубопровода [6]. В связи с этим, в следующем исследовании указана длина трубопровода от 60 м до 75 м с интервалом 5 м.Результаты моделирования влияния длины трубопровода на магнитную аномалию получены и показаны на Рисунке 11.

Результаты моделирования показывают, что для трубопровода разной длины измеренные магнитные аномалии практически не изменяются и незначительно варьируются в пределах 1180 нТл. Можно сделать вывод, что длина конвейера не повлияет на результат обнаружения. На рисунке 11 (а), поскольку длина линии постоянна, когда длина трубы становится короче, магнитная утечка будет происходить на обоих концах трубы.По мере уменьшения длины трубы на обоих концах измерительной линии будут небольшие изменения.

3.2.3. Проницаемость

Проницаемость — это физическая природа железного трубопровода, которая отличает его от окружающей почвы и жидкости в трубе. Проницаемость трубопровода обычно на несколько порядков выше, чем у окружающей среды [14, 25]. В эталонной модели проницаемость трубопровода задана от 100 до 900 с интервалом 200.Влияние проницаемости трубопровода на МП показано на рисунке 12.

Результаты моделирования показывают, что проницаемость трубопровода будет иметь значительное влияние на МП. С увеличением проницаемости магнитная аномалия меньше флуктуирует, уменьшаясь с 2400 до 1200 нТл. Причина в том, что при увеличении проницаемости магнитное поле постоянного магнита будет больше экранироваться, и МП на измерительной линии соответственно уменьшится.

3.2.4. Постоянные магниты

Магниты являются магнитным источником для MAD и поэтому имеют жизненно важное значение [20, 21]. Магниты, установленные на скребке, могут иметь разные номера с различным расположением. Чтобы изучить влияние различного количества постоянных магнитов на обнаружение МП, здесь мы предполагаем, что остаточная остаточная сила всех магнитов одинакова. На рисунке 13 показаны результаты моделирования при использовании разного количества магнитов.

Результаты моделирования показывают, что увеличение количества магнитов не повлияет на интенсивность магнитной аномалии на обоих концах измерительной линии. Но для магнитной аномалии чуть выше свиньи эффект очевиден. С увеличением количества магнитов величина МП постепенно увеличивается от 300 нТл до 1200 нТл.

Для изучения влияния полярности магнитов на обнаружение МП используется скребок, несущий два магнита с одинаковым магнитным моментом, но с разной полярностью. Два магнита расположены двумя разными способами, т. Е. Горизонтально и вертикально соответственно. Результаты моделирования показаны на рисунке 14.

Из рисунка выше видно, что МП почти равно 0, когда магниты развернуты горизонтально. Это связано с тем, что магнитные поля, создаваемые двумя магнитами, нейтрализуют друг друга при таком развертывании. Когда два магнита закреплены вертикально, МП составляет около 100 нТл. Это связано с тем, что в этом случае магнитное поле, создаваемое верхним магнитом, немного больше, чем поле нижнего магнита, и между ними существует магнитная разница. По сравнению с МП, вызванным другими факторами, флуктуация 100 нТл из-за магнитной полярности относительно мала.

3.2.5. Геомагнитное поле

Как показано в геомагнитной системе координат, семь геомагнитных элементов наиболее часто используются для геомагнитных измерений и исследований [25, 26]. На рисунке 15 показано пространственное распределение геомагнитного поля.

На рисунке выше это напряженность геомагнитного поля, это магнитное наклонение, это магнитное склонение и горизонтальная составляющая геомагнитного поля. , и — северная, восточная и вертикальная составляющие соответственно.

Интенсивность геомагнитного поля колеблется от примерно 22000 до 68000 нТл [25, 26], с максимумом на двух полюсах и минимумом на экваторе. Чтобы изучить влияние интенсивности геомагнитного поля на обнаружение магнитной аномалии вдоль измерительной линии, при моделировании интенсивность геомагнитного поля должна составлять от 21000 до 69000 нТл с интервалом 12000 нТл. На рисунке 16 представлены результаты моделирования.

Как показано на рисунке выше, если другие параметры модели остаются неизменными, увеличение геомагнитной интенсивности приведет к пропорциональному увеличению магнитной аномалии.Но МП над постоянными магнитами в основном не меняется.

Геомагнитное наклонение достигает 90 ° на Северном полюсе, -90 ° на Южном полюсе и 0 ° на экваторе. Чтобы изучить влияние геомагнитного наклона на МП, наклон задается в диапазоне от -90 ° до 90 ° с определенным интервалом при моделировании. Результаты моделирования показаны на рисунке 17.

Из результатов моделирования видно, что при изменении магнитного наклона от -80 ° до 80 ° магнитная аномалия, измеренная в центре измерительной линии, постепенно увеличивается от — От 1400 нТл до 1400 нТл.Согласно рисунку 15 причина в том, что:

При изменении, сначала будет увеличиваться, а затем уменьшаться. Это означает, что компенсирующее влияние геомагнитного поля на магнитное поле сначала будет увеличиваться, а затем уменьшаться. Следовательно, МП, вызванное общим магнитным полем, сначала уменьшится, а затем увеличится.

Наклонение варьируется от места к месту и колеблется от -30 ° до 30 °. Если задать для склонения различные значения при неизменных других параметрах модели, получается результат моделирования, как показано на рисунке 18.

Из рисунка 18 видно, что с изменением склонения общая магнитная аномалия немного меняется. Но МП в центре измерительной линии практически не изменилось и составляет около 1200 нТл.

4. Эксперимент

Существующая труба в лаборатории в Чэнду, Китай, выбрана в качестве объекта исследования на основе приведенного выше численного моделирования для проверки аномальных магнитных колебаний точки измерения, когда скребок, помеченный магнитами, проходит через него. трубу для проверки правильности результата.Соответствующие экспериментальные инструменты на месте показаны на рисунке 19. Внешний диаметр трубы составляет около 28 см, толщина стенки составляет около 4 мм, а длина — около 8 м. Свинья прикреплена с помощью постоянного магнита диаметром 50 мм и длиной 60 мм, а остаточный магнетизм составляет около 1,2 Тл при движении с востока на запад. Трехосный датчик феррозонда используется для обнаружения магнитных аномалий. 6 м в середине трубы выбран в качестве диапазона измерения, чтобы исключить влияние утечки магнитного потока на обоих концах трубы и использовать поддерживающую систему сбора данных и компьютер верхнего уровня для отображения флуктуации магнитного поля.

На рисунке 19 датчик находится на высоте 0,5 м от скребка, ось датчика параллельна оси трубы, ось перпендикулярна оси трубы и указывает на правую часть изображения. и ось перпендикулярна земле, как показано выше. Значение составляющей магнитного поля и общее значение флуктуации поля датчика в направлении оси, оси и оси показаны на рисунке 20.

Как показано на рисунке 20, существует очевидная флуктуация магнитного поля. значение в трех направлениях и значение общего магнитного поля в точке измерения при прохождении скребка.По сравнению с результатами численного моделирования, значение флуктуации магнитного поля намного выше, чем смоделированное значение флуктуации, потому что труба тоньше, толщина стенки меньше, а точка измерения находится ближе в эксперименте. Из-за разницы геомагнитных параметров экспериментальный сигнал отличается от смоделированного сигнала. Но экспериментальные результаты показывают, что принцип верен, и метод возможен при использовании маркера магнитного источника для определения местоположения свиньи.

Аналогично разделу 3.2.1, изменения общей напряженности поля на глубине захоронения 0,9 м и 1,2 м были протестированы, соответственно, для анализа влияния заглубленной глубины на значение магнитных флуктуаций точки измерения, и результаты показаны на Рисунке 21.

Как показано на Рисунке 21, когда глубина залегания увеличивается, значение флуктуации всего поля постепенно уменьшается, и экспериментальный результат согласуется с результатом моделирования. Фактические результаты обнаружения на рисунках 20 и 21 в некоторой степени подтверждают правильность численного моделирования в этой статье. Для дальнейшего анализа точности результатов моделирования необходимы дополнительные эксперименты. В то же время из-за географических ограничений сложно изучить влияние разных географических местоположений на результаты обнаружения.

5. Результаты и обсуждения

Влияние каждого параметра модели на магнитную аномалию вдоль линии измерения суммировано в Таблице 1.Как показано в таблице 1, наличие магнитов будет вызывать очевидные флуктуации магнитного поля над магнитами, которое обычно является гладким и стабильным в отсутствие магнитов. Колебание зависит от различных факторов. При изменении количества магнитов очевидное изменение магнитного поля произойдет только в точке измерения, расположенной чуть выше магнитов. Магнитное поле на обоих концах измерительной линии практически не меняется. С увеличением глубины заглубления трубопровода МП в центре измеряемой линии соответственно уменьшается.С увеличением наружного диаметра трубопровода и толщины стенки МП уменьшается. Однако с увеличением длины трубопровода МП меняется очень мало. Как показано в конце таблицы 1, для экспериментальных результатов, когда высота обнаружения изменяется, флуктуация магнитного поля на линии измерения постепенно уменьшается, что согласуется с результатами моделирования.

5 Параметры модели Диапазон При увеличении параметра Глубина заглубления трубопровода (мм 2-390 Колебание уменьшается Наличие постоянных магнитов Отсутствует-отсутствует Очевидное колебание Внешний диаметр трубопровода (мм) 500-700 Толщина стенки трубопровода мм ) 4-10 Колебание уменьшается Длина трубопровода (м) 60-75 Колебание почти не меняется Проницаемость трубопровода 100-900 уменьшается Количество постоянных магнитов 2-6 Колебание увеличивается в центре измерительной линии и почти не изменяется на обоих концах Полярность постоянных магнитов Горизонтально-вертикальная Колебания незначительны Магнитная напряженность (нТл) 21000-69000 Fl Колебание почти не меняется Магнитное падение −80 ° ~ 80 ° Колебание сначала уменьшается, а затем увеличивается Магнитное склонение −25 ° ~ 25 ° Колебание почти не меняется Высота обнаружения в эксперименте 0. 5–1,2 м Снижение флуктуации

6. Выводы

В этой статье предлагается математическая модель для обнаружения МП, индуцированного меченным магнитом поросенком. Вместо анализа МП в точке измерения для обнаружения и анализа используется измерительная линия. Кроме того, подробно анализируется влияние геометрии трубопровода, конфигурации магнитов и геомагнитных характеристик на распределение магнитных аномалий.Результаты исследования показывают, что наличие магнитов будет иметь очевидный эффект на магнитное распределение, и, следовательно, возможно обнаружить меченую магнитом свинью, анализируя индуцированное МП. Распределение магнитных аномалий вдоль измерительной линии зависит от различных факторов, таких как глубина заглубления трубопровода, геометрия трубопровода, геомагнитное поле, проницаемость трубопровода и количество постоянных магнитов. Когда скребок проходит точку измерения, будет наблюдаться явное МП.Сравнивая кривую МП в точке измерения с магнитной аномалией измерительной линии, можно увидеть, что эти два направления имеют одинаковую тенденцию, а центральное МП обоих методов одинаково. С увеличением количества магнитов магнитная аномалия на обоих концах измерительной линии почти не изменяется, в то время как магнитная аномалия прямо над магнитами будет испытывать явно усиленные флуктуации. Исходя из этого, магнитное обнаружение может быть более легко достигнуто за счет увеличения количества магнитов.Но при установке следует обращать внимание на направление магнитов, чтобы их магнитные поля не компенсировали друг друга. Численное моделирование в этой статье показывает взаимосвязь между каждым параметром модели и измеренным результатом. В целом, возможность мониторинга движения скребков с помощью магнитных скребков хорошо доказана. Наконец, эксперимент был проведен в лаборатории в Чэнду, Китай, и экспериментальные результаты в некоторой степени подтверждают правильность моделирования. В то же время следующим направлением исследований будет дальнейшее экспериментальное сравнение и анализ.

Доступность данных

(1) В статью включены данные [Геометрическая модель], использованные для подтверждения результатов этого исследования. (2) Данные [Влияние параметров], использованные для подтверждения выводов этого исследования, включены в статью. (3) Данные [Цифры], использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в статью.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Эта работа поддержана Национальным фондом естественных наук Китая в рамках гранта № 41374151, Проектом прикладных фундаментальных исследований провинции Сычуань (№ 2017JY0162) и Фондом развития молодых ученых SWPU (№ 20159

79).

Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie

Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г. , браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Датчик

магнитного поля с собственными опорной характеристикой на основе магнитной жидкости и независимых плазмонных двойных резонансов

Для исследования спектрального отклика было выполнено численное моделирование с использованием COMSOL Multiphysics. При моделировании мы фиксируем W, = 50 нм и g, = 10 нм. Радиус диска R = 280 нм. Ширина шлейфов составляет W ₁ = 100 нм и W ₂ = 100 нм.Длина шлейфов составляет L ₁ = 180 нм и L ₂ = 280 нм.

Полученные спектры пропускания для различных волноводных структур с резонаторами показаны на рисунке 2. Видно, что для отдельного резонатора существует диапазон длин волн, в котором коэффициент пропускания низкий, как показано зеленой и синей линиями. Для структуры волновода, соединенного шлейфом и диском, пик пропускания появляется в провале пропускания, как показано красной линией на рис. 2а.Для структур с двумя шлейфами обнаруживается пик передачи, как показано красной линией на рисунке 2b. Это явление похоже на электромагнитно индуцированную прозрачность (EIT) [32,33].

Рисунок 2: Спектры пропускания для различных структур с резонаторами.Радиус диска R = 280 нм. Длина шлейфов: L ₁ = 180 нм, L ₂ = 280 нм. (а) Отдельный резонатор шлейф 1, отдельный дисковый резонатор и связанная система шлейф – диск. (b) Отдельный резонатор шлейфа 1, отдельный резонатор шлейфа 2 и система связанных шлейфов.

Рисунок 2: Спектры пропускания для различных структур с резонаторами.Радиус диска R = 280 …

Приведенные выше результаты передачи могут быть количественно объяснены с помощью нашей теоретической модели. Уравнение 12 демонстрирует, что минимальное пропускание T _min происходит, когда ω _i = ω. Тогда T _{i, min} = | κ _i / (κ _{w i} + κ _i ) | ² .Пренебрегая внутренними потерями κ _i , имеем T _min = 0. Это означает, что волна с резонансной частотой ω _i будет подавлена ​​и не передана. Основываясь на уравнении 11, можно объяснить провал пропускания вокруг резонансных частот ω ₁ , ω ₂ и ω _d для отдельных штырей 1 и 2 резонаторов и диска, соответственно.

Обратите внимание, что отдельный шлейф резонатора имеет очень широкий провал передачи.Широкий провал вызван прямым соединением. Поскольку шлейфовые резонаторы напрямую подключены к волноводу MDM, энергия, запасенная в шлейфах, будет уменьшена, а добротность шлейфов снизится. В результате образуются широкие провалы передачи. Дисковый резонатор имеет более узкий провал пропускания, чем шлейфы. Это связано с тем, что диск имеет боковую связь с волноводом. Кроме того, дисковый резонатор может поддерживать режимы шепчущей галереи. Это может значительно снизить потери при распространении в дисковом резонаторе.Следовательно, его добротность выше, а соответствующий провал передачи меньше. Спектральная форма пропускания одиночного резонатора хорошо согласуется с теоретическим анализом.

Когда диск соединен с верхним шлейфом 1, моды резонаторов могут напрямую связываться друг с другом через свое исчезающее поле на малых расстояниях зазора. Когда ω ₁ = ω _d = ω , , коэффициент пропускания уравнения 8 становится T = | (κ _1d + 1) / (κ _w1 + κ _1d + 1) | ² .Это указывает на то, что в провале передачи появляется пик передачи. Основываясь на уравнении 8 и 11, мы можем объяснить явление пика передачи, подобное EIT, на рисунке 2.

На рис. 3 показан спектр пропускания для волноводных структур с резонатором, в котором появляются два пика пропускания. Соответствующие длины волн пиков: _I = 1557 нм и _II = 1791 нм.Это явление также можно объяснить нашей теорией. Уравнение 13 показывает, что будет пик передачи на частоте ω _d = ω, пока ω ₁ и ω _d близки друг к другу, и другой пик на частоте ω ₂ = ω, пока поскольку ω ₁ и ω ₂ близки друг к другу. Согласно этому анализу, мы знаем, что существует два пика передачи. Пик I находится около резонансной частоты диска (ω _d ), а пик II находится около резонансной частоты шлейфа 2 (ω ₂ ).Полученные спектры хорошо согласуются с предсказанием теории.

Рисунок 3: (а) Спектры пропускания всей конструкции. (b) H _z диаграммы поля на максимальных длинах волн двух резонансов.Радиус диска R = 280 нм. Длина шлейфов: L ₁ = 180 нм, L ₂ = 280 нм.

Рисунок 3: (а) Спектры пропускания всей конструкции. (b) H _z диаграммы поля на пиковых длинах волн …

Чтобы дополнительно выявить происхождение пиков пропускания на рисунке 3a, мы построим график распределения магнитного поля H _z на двух резонансных длинах волн на рисунке 3b. Видно, что энергия в основном сосредоточена в дисковом резонаторе на частоте резонансного пика I. Напротив, на частоте резонансного пика II энергия ограничена двумя шлейфами, и в дисковом резонаторе энергия почти отсутствует. Мы предполагаем, что пик I возникает в результате связи между диском и шлейфом 1, а пик II связан с резонансом между шлейфом 1 и шлейфом 2.

Чтобы проверить сделанный выше вывод, мы исследуем пропускание при изменении структурных размеров резонаторов.На рис. 4а представлена ​​трансмиссия в зависимости от радиуса диска R . Спектры при разной длине и ширине шлейфа показаны на рис. 4b – e. Положение пика пропускания I демонстрирует очевидное красное смещение с увеличением R (Рисунок 4a). Напротив, этот пик практически не изменяется при изменении длины ( L ₁ , L ₂ ) или ширины ( W ₁ , W ₂ ) заглушек (Рис. 4б – д).Резонансная длина волны пика I в основном определяется дисковым резонатором. Это указывает на то, что пик I возникает из-за соединения между диском и шлейфом 1. Рисунок 4a показывает, что, в отличие от пика I, положение пика пропускания II остается почти неизменным с увеличением R . Тем не менее пик II смещается в сторону более длинных волн, когда длина шлейфов ( L ₁ , L ₂ ) шлейфов увеличивается или когда ширина ( W ₁ , W ₂ ) заглушек уменьшается (рис. 4b – e).Резонансная длина волны пика II сильно зависит от двух шлейфов. Это указывает на то, что пик II относится к шлейфу 1 и шлейфу 2. Результаты моделирования подтверждают теоретический прогноз.

Рисунок 4: Спектры пропускания в зависимости от структурных параметров: а — радиус диска R ; б) длина верхней части L ₁ ; (в) длина нижнего патрубка L ₂ ; (г) ширина верхней заглушки W ₁ ; (д) ширина нижнего стержня W ₂ .

Рисунок 4: Спектры пропускания в зависимости от структурных параметров: а — радиус диска R ; (б) длина …

На рисунке 4 показано, что можно реализовать гибкую модуляцию резонансных длин волн.Два резонансных пика можно легко настроить на определенные длины волн, изменив определенные структурные параметры. Этот независимо настраиваемый двойной резонанс перспективен для применения в многопараметрическом измерении.

Затем мы исследуем влияние показателя преломления на пики пропускания. Поскольку на левый резонансный пик в основном влияет диск, мы заполняем полость диска чувствительной средой, а именно магнитной жидкостью.Показатель преломления МП ( n _MF ) изменяется в зависимости от температуры T и напряженности внешнего поля H . Значение n _MF не изменяется, пока напряженность поля не превысит критическое значение H _c . Затем n _MF увеличивается с увеличением напряженности поля и, наконец, достигает значения насыщения n _sat . n _MF следует функции Ланжевена [2]:

(15)

В уравнении 15 H, — напряженность магнитного поля, T — температура, а α — подгоночный параметр. H _c — критическое поле (около 30 Э). n ₀ обозначает показатель преломления магнитной жидкости в магнитных полях ниже критического. Это зависит от типа жидкости-носителя и концентрации магнитной жидкости. n _sat — значение насыщения показателя преломления. В этой статье магнитная жидкость представляет собой коллоидный раствор, состоящий из наночастиц Fe ₃ O ₄ , диспергированных в воде с n ₀ = 1.4612. Концентрация магнитных частиц составляет 1,52% при 24,3 ° C. Кривая n _MF как функция H становится насыщенной при H > 200 Oe. Отклик показателя преломления на H нелинейный, но в диапазоне 40–100 Э отклик показывает хорошую линейность. Поэтому в данной статье рассматриваются напряженности поля H, = 40–100 Э. . n _MF увеличивается с 1,4623 до 1,464, когда магнитное поле H увеличивается с 40 до 100 Э.

На рис. 5 показаны спектры пропускания в зависимости от внешнего магнитного поля H . Левый резонанс на более низких длинах волн больше зависит от напряженности магнитного поля, чем правый резонанс на более высоких длинах волн. Левый резонанс используется для обнаружения, а неизмененный резонанс служит опорным сигналом. Левый пик демонстрирует красное смещение с увеличением напряженности поля.Из-за небольшого изменения показателя преломления Δ n _MF = 0,0017, сдвиг левого пика не такой большой, как на рисунке 4. На вставке показан увеличенный вид левого пика. Подробные данные показывают, что длина волны пика линейно увеличивается с увеличением магнитного поля. Следовательно, напряженность магнитного поля известна путем измерения резонансного сдвига длины волны.

Рисунок 5: Спектры пропускания как функция внешнего магнитного поля H . Параметры такие же, как на рисунке 3, за исключением напряженности магнитного поля.

Рисунок 5: Спектры пропускания как функция внешнего магнитного поля H . Параметры такие же, как на рисунке 3 …

Чувствительность датчика показателя преломления обычно определяется как сдвиг резонансной длины волны на единицу изменения показателя преломления (нм / RIU) [34,35].Полученная чувствительность для левого пика составляет 946 нм / RIU, что сопоставимо с другими результатами [36-39]. Для магнитного датчика чувствительность определяется как сдвиг длины волны на единицу изменения напряженности магнитного поля (пм / э). Полученная здесь чувствительность составляет 27 пм / э, т. Е. 270 пм / мТл, что превосходно по сравнению с другими известными значениями [12-15]. Поскольку правый резонанс не чувствителен к изменению внешнего магнитного поля, его можно использовать в качестве эталона. Это характеристика саморегулирующегося датчика [37,40].Таким образом, достигается саморегулирующийся датчик магнитного поля, и точность обнаружения датчика может быть улучшена. Предлагаемый нами магнитный датчик может использоваться в нестабильных и сложных условиях.

.

No related posts.