Меню

Возникновение тока при деформации

Деформации и напряжения при сварке

Содержание:

  1. Что являют собой напряжения и деформации
  2. Почему образуются деформации и напряжения
  3. Виды деформаций и напряжений
  4. Тестирование сварных швов и расчет деформаций
  5. Способы устранения сварочных напряжений
  6. Способы устранения деформации
  7. Как предотвратить возникновение напряжений и деформации
  8. Методы противодействия сварочным деформациям и напряжениям
  9. Интересное видео

В производстве металлоконструкций самые надежные и долговечные соединения обеспечивает сварочная технология при условии безошибочного проведения работ. Если же хоть незначительно нарушаются технологии процесса, то в создаваемой конструкции формируются деформации и напряжения при сварке. При этом искривляются формы, возникают неточности в размерах изделия, что делает невозможным качественное выполнение функциональных задач.

Фото: деформации от поперечной усадки

Что являют собой напряжения и деформации

Появлением напряжений и искажений сопровождается любое силовое воздействие на металлическое изделие. Силу, которая оказывает давление на единицу площади называют напряжением, а нарушение целостности форм и размеров в результате силовой нагрузки называют деформацией.

Напряжение может быть вызвано физическим усилием сжимающего, растягивающего, срезающего или изгибающего характера. Когда сварочные напряжения и деформации превышают допустимые значения, то это влечет за собой разрушению отдельных элементов и всей конструкции.

Почему образуются деформации и напряжения

Деформации при сварке появляются из-за вызванных разными факторами внутренних напряжений. Причины таких нарушений условно разделяют на две большие категории: основные (неизбежные), которые всегда присутствуют при сварочных работах и сопутствующие, которые подлежат устранению.

Причины неизбежные

Группу основных составляют следующие причины возникновения напряжений и деформаций при сварке:
структурные видоизменения, провоцирующие развитие сжимающих и растягивающих напряжений. Довольно часто при охлаждении изделий, выполненных из высокоуглеродистых и легированных стальных сплавов при нарушается зернистая структура металлов и размеры самих деталей.

В результате меняется первоначальный объем металла, что собственно и поднимает внутреннее напряжение;

  • неравномерный прогрев. В процессе сварки нагревается только задействованный участок металла, при этом он расширяется и оказывает влияние на менее нагретые слои. Образующаяся вследствие прерывистого прогрева высокая концентрация напряжений в сварных соединениях в основном зависит от показателей линейного расширения, степени теплопроводности и температурного режима. Чем выше эти показатели, тем меньшей является теплопроводность металла и соответственно возрастают риски неточностей сварочном шве;
  • литейная усадка, когда объем металла заметно уменьшается из-за его кристаллизации. Объясняется это тем, что в расплавленном металле под влиянием усадки образуется сварочное напряжение, которое может быть одновременно поперечным и продольным.

Не только внешние силовые воздействия способны спровоцировать напряжение при сварке. Металлическим сплавам характерны также свои собственные напряжения и деформации, которые разделяются на остаточные и временные. Первые возникают вследствие пластичной деформации и даже после охлаждения конструкции они в ней остаются. Когда появляются временные сварочные деформации? Непосредственно в процессе сваривания в прочно зафиксированном изделии.

Сопутствующие причины

Кроме основных существуют также побочные причины возникновения деформаций при сварке. К таковым относят:

  • отклонение от технологических нормативов, например, использование не подходящих для конкретного случая электродов, нарушение режимов сварки, недостаточная подготовка изделия к сварочному процессу и другие;
  • несоответствие конструктивных решений: частое пересечение между собой сварных соединений или недостаточное расстояние между ними, неточно подобранный тип шва и т. д.;
  • отсутствие опыта и соответственных знаний у сварщика.

Что из перечисленного вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях? Любое неправильное действие приводит к технологическим дефектам шва, в частности к появлению трещин, пузырей, непроваров и других браков.

Виды деформаций и напряжений

Различают разные виды напряжений в зависимости от характера их возникновения, периода действия и других факторов. В таблице ниже показано что вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях и какими они бывают.

Характер возникновения Тип напряжения Чем вызвано нарушение
В соответствии причины появления Тепловые Неравномерный прогрев из-за перепада температур в процессе сварки
Структурные Изменения в структуре металла при нагревании его выше предельно допустимой температуры
По времени существования Временные Образуются при фазовых видоизменениях, но постепенно исчезают вследствие охлаждения
Остаточные Даже после ликвидации причин их появления присутствуют в изделии
По охватываемой площади Действующие в пределах всей конструкции
Действующие только в зернах структуры материала
Присутствующие в кристаллической решетке металла
По направленности действия Продольные Образуются вдоль линии сварочного шва
Поперечные Располагаются перпендикулярно к оси соединения
По виду напряженного состояния Линейные Только в одном направлении распространяется действие
Плоскостные Образуются в двух разных направлениях
Объемные Оказывают одновременно трехстороннее воздействие

Фото: виды напряжений при сварки

Виды деформаций при сварке бывают:

  • местные и общие. Первые возникают на отдельных участках и изменяют только часть изделия. Вторые проводят к изменению размера всей конструкции и искривлению ее геометрической оси;
  • временные и конечные. Возникающие в конкретный момент сварочные деформации называют временными, а те, которые после полного охлаждения изделия остаются в нем — остаточными;
  • упругие и пластичные. Когда после сварки размер и форма конструкции полностью восстанавливаются, деформация упругая, если дефекты остаются — пластичная.

Деформации металла возможны как в плоскости сварной конструкции, так и вне нее.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций

С целью определения прочности и надежности шва, и выявления возникших дефектов проводится тестирование сварных соединений. Такой контроль позволяет своевременно обнаружить браки и оперативно их устранить.

Для выявления изъянов используют следующие типы контроля:

  • разрушающий. Позволяет исследовать физические качества сварного шва, активно применятся на производственных предприятиях;
  • неразрушающий. Проводится посредством внешнего осмотра, капиллярного метода, магнитной или ультразвуковой дефектоскопии, контролем на проницаемость и другими способами.

При производстве конструкций с применением сварки одним из важных нюансов является точное определение возможных деформаций и напряжений. Их наличие приводит к отклонениям от первоначальных размеров и форм изделий, понижает прочность конструкций и ухудшает эксплуатационные качества.

Фото: деформация при сварки

Расчет сварочных напряжений и деформаций позволяет проанализировать разные варианты проведения сварочных операций и спланировать их последовательность так, чтобы в процессе работ конструкция подвергалась минимальным напряжениям и образованию дефектов.

Способы устранения сварочных напряжений

Дли ликвидации напряжений проводят отжиг или же используют механические методы. Наиболее прогрессивным и действенным считается отжиг. Применяется метод в случаях, когда к геометрической точности всех параметров изделия выдвигаются сверхвысокие требования.

Отжиг может быть общим или местным. В большинстве случаев проводят процедуру при температуре 550-680°С. Весь процесс проводится в три этапа: нагрев, выдержка и остывание.

Из механических способов чаще всего используется прокатка, проковка, техника вибрации и обработка взрывом. Проковка проводится с применением пневмомолота. Для виброобработки используют вызывающие вибрацию устройства, у которых в течение нескольких минут 10-120 Гц составляет резонансная частота.

Способы устранения деформации

Деформация металла при сварке устраняется термомеханической, холодной механической и термической правкой с общим или местным нагревом. При полном отжиге конструкция прочно фиксируется в специальном устройстве, которое на требуемые участки образует давление. После закрепления изделие помещается в печь для нагрева.

Принцип термического способа состоит в том, что в процессе охлаждения металл сжимается. Растянутый участок нагревают с помощью дуги или горелки таким образом, чтобы холодным оставался окружающий сплав. Это препятствует сильному расширению горячего участка. В процессе остывания конструкция выпрямляется. Метод идеально подходит для правки листовых полос, балок и других изделий.

Холодная правка проводится с применением постоянных нагрузок, которые образуют с помощью разнообразных прессов, валков для прокатки длинных конструкций. В сильно растянутых конструкциях для ликвидации деформаций используют термическую правку. Сперва собираются излишки металла, после чего проблемные участки прогреваются.

Какой из методов считается самым лучшим? Однозначного ответа здесь не существует. При выборе технологии следует учитывать тип, размеры и формы металлического изделия, какие особенности вызвали деформации и сварочные напряжения, и деформации, возникшие в плоскости или снаружи. Также внимание стоит обратить на эффективности методики и предстоящих трудозатратах.

Как предотвратить возникновение напряжений и деформации

Чтобы повысить качество конструкций и предотвратить образование браков, следует знать от чего зависит величина деформации свариваемого металла.

Понизить напряжения в процессе сварочных работ и предотвратить деформации можно, если придерживаться следующих правил:

  • при проектировании сварной конструкции сперва нужно провести расчет сварочных деформаций, что позволит правильно сформировать сечения швов и предусмотреть на отдельных участках изделия необходимые для усадки припуски;
  • швы нужно выполнять симметрично к профильным осям всего изделия и отдельных его деталей;
  • очень важно, чтобы в одной точке не было пересечений более чем трех швов;
  • перед свариванием конструкцию необходимо проверить на соответствие расчетам величин зазоров в стыках и общих размеров;
  • понизить остаточную деформацию можно, если создать в соединении искусственную деформацию, противоположную по знаку от выполняемой сварки. Для этого применяется общий или местный подогрев конструкции;
  • при выполнении длинных швов применять обратноступенчатый способ на проход;
  • использовать теплоотводящие прокладки или охлаждающие смеси, способные уменьшить зону разогрева;
  • накладывать швы таким образом, чтобы последующее соединение вызывало обратные от предыдущих швов деформации;
  • подбирать для вязких металлов такие сварочные техники, которые способны понизить конечные деформации.

Нужно понимать, чтобы понизить к минимуму деформации при сварке, причины их возникновения и меры предупреждения непосредственно повязаны между собой. Поэтому вначале нужно провести все расчеты и подготовительные работы, и только после этого приступать к процессу сваривания металлоконструкций.

Методы противодействия сварочным деформациям и напряжениям

Намного проще предотвратить проблему, нежели ее устранять. Касается это также сварочных работ. Чтобы не столкнуться с устранением брака, а также избежать лишних финансовых затрат следует обратить внимание на некоторые меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями.

Сопроводительный и предварительный подогрев

Выполнение таких видов подогрева улучшает качественные характеристики шва и прилегающих к нему участков. Также метод способствует уменьшению остаточного напряжения и пластических деформаций. Применяют подогрев для склонных к возникновению кристаллизационных трещин и закалке сталей.

Наложение швов в обратно ступенчатом порядке

Если длина шва превышает 1000 миллиметров, то следует разбить его на отдельные участки протяжностью 100-150 мм каждый и вести их нужно противоположно к направлению сварки. Применение такого способа позволяет достичь равномерного нагревания металла и существенно понизить деформацию, что нельзя отнести к случаю последовательного наложения.

Фото: противодействия деформации и напряжениям при сварки

Проковка швов

Как холодный, так и нагретый металл можно проковывать. Металл от силы удара разжимается в разные стороны, понижая таким образом растягивающее напряжение. Если конструкция создана из склонного к появлению закалочных структур металла, то на таких изделиях проковка не выполняется.

Выравнивание деформаций

Сущность способа состоит в подборе порядка выполнения швов. При этом каждое последующий шов должен создавать противодействующую деформацию предыдущему соединению. Очень актуально это при сваривании двусторонних соединений.

Жесткое крепление деталей

В течение всего процесса сварки обрабатываемые детали необходимо жестко и прочно закреплять в кондукторах. Вынимать можно только после полного охлаждения. Следует обратить внимание, что у такого метода есть один недостаток — повышенные риски появления внутренних напряжений.

Термическая обработка

Улучшает механические характеристики шва и расположенных вблизи участков, выравнивает структуру соединения, понижает внутренние напряжения. Термическая обработка состоит из разных операций: отпуск, отжиг (полный или низкотемпературный), нормализация.

Наилучшим способом обработки для сварных изделий считается нормализация, особенно хорошо подходит метод для изделий из низкоуглеродистых сталей.

Интересное видео

Источник

Фотовольтаический эффект и его разновидности

Впервые так называемый фотовольтаический (или фотогальванический) эффект наблюдал в 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель.

Экспериментируя в отцовской лаборатории, он обнаружил, что при освещении платиновых пластин, погруженных в раствор электролита, подключенный к пластинам гальванометр показывал наличие электродвижущей силы. Вскоре девятнадцатилетний Эдмон нашел и полезное применение своему открытию, — он создал актинограф — прибор для регистрации интенсивности падающего света.

Александр Эдмон Беккерель

Сегодня к фотовольтаическим эффектам относят целую группу явлений, так или иначе связанных с возникновения электрического тока в замкнутой цепи, в которую включен освещаемый полупроводниковый или диэлектрический образец, либо явления возникновения ЭДС на освещаемом образце, в случае если внешняя цепь разомкнута. При этом различают два типа фотовольтаических эффектов.

К фотовольтаическим эффектам первого типа относятся: высоковольтная фото-ЭДС, объемная фото-ЭДС, вентильная фото-ЭДС, а также фотопьезоэлектрический эффект и эффект Дембера.

К фотовольтаическим эффектам второго типа относятся: эффект увлечения электронов фотонами, а также поверхностный, циркулярный и линейный фотовольтаические эффекты.

Солнечная батарея

Эффекты первого и второго типа

Фотовольтаические эффекты первого типа обусловлены процессом, при котором световое воздействие генерирует подвижные носители электрического заряда двух знаков — электроны и дырки, приводит к их разделению в пространстве образца.

Возможность разделения связана в этом случае либо с неоднородностью образца (неоднородностью образца можно считать его поверхность), либо с неоднородностью освещения, когда свет поглощается у поверхности, либо когда освещается лишь часть поверхности образца, так что ЭДС возникает вследствие повышения скоростей теплового движения электронов под действием падающего на них света.

Фотовольтаические эффекты второго типа связаны с асимметрией элементарных процессов возбуждения носителей заряда светом, асимметрией их рассеяния и рекомбинации.

Эффекты данного типа проявляются без дополнительного образования пар разноименных носителей заряда, они обусловлены межзонными переходами, либо могут быть связаны с возбуждением носителей заряда с примесей, кроме того могут вызываться поглощением световой энергии свободными носителями заряда.

Далее давайте разберем механизмы возникновения фотовольтаических эффектов. Сначала рассмотрим фотовольтаические эффекты первого типа, затем обратим внимание на эффекты второго типа.

Читайте также:  Взаимодействие пластин с током

Эффект Дембера

Эффект Дембера может возникать при однородном освещении образца, просто из-за различия скоростей поверхностной рекомбинации на противоположных его гранях. При неоднородном освещении образца эффект Дембера вызывается различием коэффициентов диффузии (разницы подвижностей) электронов и дырок.

Эффект Дембера

Эффект Дембера, инициируемый импульсным освещением, применяют для генерации излучения в терагерцовом диапазоне. Наиболее выражено эффект Дембера проявляется в полупроводниках с высокой подвижностью электронов и с узкой запрещенной, таких как InSb и InAs. [ banner_adsense]

Барьерная фото-ЭДС

Вентильная или барьерная фото-ЭДС является результатом разделения электронов и дырок электрическим полем на барьере Шоттки при контакте металл-полупроводник, а также полем p-n-перехода или гетероперехода.

Ток здесь образуется движением как непосредственно генерируемых в области p-n-перехода носителями заряда, так и теми носителями, что возбуждаются в приэлектродных областях и достигают путем диффузии области сильного поля.

Разделение пар способствует образованию потока дырок в область p и потока электронов в область n. Если цепь разомкнута, то ЭДС действует в прямом для p-n-перехода направлении, так что ее действие компенсирует первоначальное явление.

Барьерная фото-ЭДС

Данный эффект лежит в основе функционирования солнечных элементов и высокочувствительных малоинерционных приемников излучения.

Объемная фото-ЭДС

Объемная фото-ЭДС, как следует из ее названия, возникает как результат разделения пар носителей заряда в объеме образца на неоднородностях, связанных с изменением концентрации легирующей примеси либо с изменением химического состава (в случае если полупроводник сложный).

Здесь причиной разделения пар служит так называемое встречное электрическое поле, создаваемое изменением положения уровня Ферми, который, в свою очередь, зависит от концентрации примеси. Либо, если речь о полупроводнике со сложным химическим составом — разделение пар оказывается результатом изменения ширины запрещенной зоны.

Объемная фото-ЭДС

Явление возникновения объемной фото-ЭДС применимо для зондирования полупроводников с целью определения степени их однородности. С неоднородностями связано также сопротивление образца.

Высоковольтная фото-ЭДС

Аномальная (высоковольтная) фото-ЭДС получается когда неоднородное освещение вызывает электрическое поле, направленное по поверхности образца, вдоль нее. Величина возникающей ЭДС будет пропорциональна длине освещаемой области и может достигать 1000 и больше вольт.

Механизм может быть обусловлен либо эффектом Дембера, если диффузный ток имеет компоненту направленную вдоль поверхности, либо образованием выходящей на поверхность p-n-p-n-p-структуры. Результирующая высоковольтная ЭДС — есть суммарная ЭДС каждой из пар несимметричных n-p и p-n-переходов.

Фотопьезоэлектрический эффект

Фотопьезоэлектрическим эффектом называется явление возникновение фототока или фото-ЭДС при деформации образца. Одним из его механизмов является возникновение объемной ЭДС при неоднородной деформации, приводящей к изменению параметров полупроводника.

Другим механизмом появления фотопьезоэлектрической ЭДС является поперечная ЭДС Дембера, возникающая при одноосной деформации, вызывающей анизотропию коэффициента диффузии носителей заряда.

Последний механизм наиболее эффективен при деформациях многодолинных полупроводников, приводящих к перераспределению носителей между долинами.

Мы рассмотрели все фотовольтаические эффекты первого типа, далее рассмотрим эффекты относимые ко второму типу.

Эффект увлечения электронов фотонами

Этот эффект связан с асимметрией в распределении фотоэлектронов по импульсу, получаемому от фотонов. В двумерных структурах при оптических переходах между минизонами фототок увлечения вызван преимущественно переходами электронов с определенным направлением импульса и может существенно превышать соответствующий ток в объемных кристаллах.

Линейный фотовольтаический эффект

Данный эффект обусловлен асимметричным распределением фотоэлектронов в образце. Асимметрия формируется здесь двумя механизмами, первый из которых — баллистический, связанный с направленностью импульса при квантовых переходах, второй — сдвиговый, обусловленный смещением центра тяжести волнового пакета электронов при квантовых переходах.

Линейный фотовольтаический эффект не связан с передачей импульса от фотона электронам, поэтому при фиксированной линейной поляризации не меняется при изменении направления распространения света на противоположное. Вклад в ток вносят как процессы поглощения света, так и процессы рассеяния и рекомбинации (при тепловом равновесии данные вклады скомпенсированы).

Линейный фотовольтаический эффект

Данный эффект применительно к диэлектрикам позволяет реализовать механизм оптической памяти, поскольку приводит к изменению показателя преломления, зависящему от интенсивности света, и сохраняющемуся даже после его выключения.

Циркулярный фотовольтаический эффект

Эффект возникает при освещении эллиптически или циркулярно поляризованным светом гиротропных кристаллов. ЭДС меняет знак на противоположный при изменении поляризации. Причина эффекта кроется во взаимосвязи спина и импульса электронов, свойственной гиротропным кристаллам. Когда электроны возбуждаются циркулярно поляризованным светом, их спины оптически ориентируются, соответственно возникает направленный импульс тока.

Существование обратного эффекта выражается в возникновении оптической активности под действием тока: пропускаемый ток вызывает в гиротропных кристаллах ориентацию спинов.

Три последних эффекта служат в безынерционных приемниках лазерного излучения.

Поверхностный фотовольтаический эффект

Поверхностный фотовольтаический эффект возникает при отражении или поглощении света свободными носителями заряда в металлах и полупроводниках, вследствие передачи импульса от фотонов — электронам при наклонном падении света, а также при нормальном падении, если нормаль к поверхности кристалла отличается по направлению от одной из главных осей кристалла.

Эффект заключается в явлении рассеяния возбужденных светом носителей заряда на поверхности образца. При межзонном поглощении проявляется при условии что значительная часть возбужденных носителей достигает поверхности без рассеяния.

Так, при отражении электронов от поверхности формируется баллистический ток, направленный перпендикулярно поверхности. Если при возбуждении электроны выстраиваются по импульсу, может появиться ток, направленный вдоль поверхности.

Условием возникновения данного эффекта является различие знаком неравных нулю компонент средних значений импульса «к поверхности» и «от поверхности» для электронов движущихся вдоль поверхности. Условие соблюдается, например, в кубических кристаллах, при возбуждении носителей заряда из вырожденной валентной зоны — в зону проводимости.

При диффузном рассеянии на поверхности, электроны достигшие ее — теряют составляющую импульса вдоль поверхности, тогда как электроны двигающиеся от поверхности — сохраняют. Это и приводит к возникновению тока вдоль поверхности.

Источник



Напряжения и деформации. Дислокационная теория пластической деформации

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Деформация металлов — изменение их формы и размеровбез макроразрушения под действием внешней силы. Исходный ме­талл в виде слитка для получения заданной формы и размеров готового изделия подвергается сложной обработке, начиная с обработки давлением. Последняя основана на пластической деформации, которой предшествует упругая деформация.

Если к металлическому телу, один конец которого закреп­лен, приложить внешнюю, например, растягивающую силу,тов теле возникнут внутренние силы, направленные в сторону, противоположную действию внешней силы. Появление в теле внутренних сил необходимо для уравновешивания внешних сил. Взаимно уравновешиваться эти силы могут только при дей­ствии на абсолютно твердые тела. Поскольку таких тел в при­роде нет, то при действии внешней силы металлическое тело испытывает деформацию. Деформация осуществляется до тех пор, пока между внешними и внутренними силами не наступит равновесие.

Внутренние силы могут возникнуть также при различных физических и физико-химических процессах (например, при не­равномерном нагреве), как результат препятствия неравномер­ному изменению формы тела в каком-либо направлении; обычно таким препятствием является целостность деформируемого тела.

Появление в металлическом теле внутренних сил свидетель­ствует о том, что тело находится в напряженном состоянии. Под напряженным состоянием тела понимают состояние вынуж­денного отклонения атомов от положения устойчивого равнове­сия в элементарной кристаллической решетке, вследствие чего атомы стремятся вернуться к своим нормальным положениям.

Металлы могут деформироваться упруго (обратимо) и пла­стически (остаточно, необратимо).

Упругая деформация — это деформация, при которой металл полностью восстанавливает форму и размеры после прекраще­ния действия сил, вызывавших эту деформацию.

При нормальных условиях между атомами металлического тела действуют электростатические уравновешивающие силы притяжения и отталкивания. Такому положению равновесия от­вечает минимум потенциальной энергии кристаллической решётки. Если приложить к телу внешнюю силу, то равновесие внутренних сил нарушается. Для восстановления равновесия

атомы из положений устойчивого равновесия немного смеща­ются в ближайшие положения, не превышающие расстояния между соседними атомами (параметра решетки); при этом по­тенциальная энергия решетки увеличивается. В новом поло­жении атомов также достигается равновесие между внутрен­ними силами притяжения и отталкивания, с одной стороны, и внешней силой—с другой. Как только устраняется внешняя сила, атомы занимают свои прежние места и между силами притяжения и отталкивания атомов вновь восстанавливаются равновесие и прежнее расстояние между атомами.

При одноосном растяжении или сжатии зависимость между относительной упругой деформацией ε и напряжением σ выра­жается законом Гука:

ε = σ /Е, где Е—модуль Юнга.

Упругая деформация сопровождается изменением объема тела. Так, при появлении упругой деформации, например при растяжении, в направлении действия внешней силы в перпен­дикулярном к ней направлении возникает упругая деформация противоположного знака, равная произведению коэффициента Пуассонаμ, на величину деформации. Из этого следует, что при вынужденном удалении атомов друг от друга в одном направ­лении в перпендикулярном к нему направлении атомы сбли­жаются.

Упругая деформация характеризуется двумя основными кон­стантами: модулем Юнга и коэффициентом Пуассона. При этом модуль Юнга является показателем, который характеризует сопротивление металла упругой деформации, а коэффициент Пауссона определяет относительное изменение объема металла.

При упругой деформации физико-химические свойства на­пряженного тела будут иными, чем ненапряженного. Так, ме­таллы, будучи подвергнуты упругой деформации, имеют мень­шую электропроводность и значительно большую растворимость, чем те же металлы в ненапряженном состоянии.

При достижении упругой деформацией величины, превышаю­щей предел упругости, наступает пластическая, или остаточная, деформация.

Пластическая деформация — это деформация, при которой металл под действием внешних сил необратимо изменяет, свою форму и размеры, т. е. деформируется без разрушения и сохра­няет новую форму и размеры после прекращения действия сил.

Пластическая деформация состоит в следующем. При при­ложении внешней силы к металлическому телу между отдель­ными кристаллитами (зернами) тела, а также по их кристалло­графическим плоскостям возникают сдвигающие или касательные напряжения. При достижении касательными напряжениями некоторой критической величины, зависящей от природы тела, они могут преодолеть сопротивление металлической связи дан­ного тела и вызвать либо внутренние необратимые перемещения в зернах по кристаллографическим плоскостям, либо пере­мещения зерен друг относительно друга. При этом пластическая деформация

происходит главным образом за счёт внутризёренных перемещений, а перемещения по границам зёрен происходят лишь постольку, поскольку зёрна, меняя форму ( когда перемещаются их части), изменяют своё расположение друг относительно друга.

Рис. 6.1. Микроструктура (Х900) технически чистого железа до деформации (а) и после нее на 9% (б), на 27 % (в) и схемы скольжения (г) и двойникования (б) припластическойдеформации.

Установлено, что при преобладании межзёренных смещений пластичность резко снижается и может на­ступить хрупкое разрушение металла.

Смещения в кристаллической решетке зерна осуществляются по определенным плоскостям и направлениям. В зависимости от особенностей этих смещений различают смещения скольжением и двойникованием. Плоскости и направления смещений соответственно принято называть плоскостями и направлениями скольжения и двойникования.

При рассмотрении микроструктуры деформированного чи­стого железа видны темные линии (рис. 6.1,6, в), которые пред­ставляют собой следы плоскостей скольжения (или двойнико­вания).

Рис. 6.1. Cхемы скольжения (г) и двойникования (б) припластическойдеформации.

В отдельных зернах следы смещений образуют систему па­раллельных или пересекающихся под определенным углом ли­ний. Рентгеноструктурным анализом установлено, что скольжения в кристаллической решётке происходят по плоскостям и направлениям с наибольшей плотностью расположения атомов. Важной характеристикой этих плоскостей и направлений явля­ется то, что в них скольжение вызывается минимальным каса­тельным напряжением τкр. По другим плоскостям и направле­ниям, по которым атомы менее плотно упакованы, для осуществления скольжения надо иметь большую величину каса­тельных напряжений. Нормальное напряжение в процессе скольжения не участвует.

Деформация скольжения происходит тогда, когда в результате действия внешней силы Р на зерно (рис. 6.1, г) по плоско­стям скольжения, ориентированным к направлению силы под углами, отличными от 0 до 90°, возникают касательные напряжения, стремящиеся сдвинуть части зерна друг относительно друга. Сдвиги скольжением происходят по тем кристаллографи­ческим плоскостям, в которых касательные напряжения дости­гают критической величины. Обычно эти плоскости расположены под углом, близким к 45° к направлению действия силы. Одновременно со сдвигом части зерен поворачиваются в на­правлении растяжения.

При_деформации двойникованием перемещение частей зерен друг относительно друга под действием касательных напряже­ний сопровождается изменением ориентировки кристалличе­ской решетки. Смещенная часть становится как бы зеркальным отражением неподвижной части кристалла (рис. 6.1,д). Двойникование наблюдается реже, чем скольжением, в частности, оно происходит в случае деформации при повышенных температурах, ударном действии нагрузок и при деформации металлов, имеющих гексагональную решётку. Пластическая деформация металлов осуществляется в основном за счёт скольжения. Двойникование в ряде случаев сопутствует деформации сколь­жением.

Видимые, линии скольжения при пластической деформации металла представляют собой полосы скольжения. Они отстоят одна от другой на расстоянии примерно 1 мкм, а расстояния между соседними атомными плоскостями выражаются величи­ной порядка 10 -4 мкм. Следовательно, в скольжении принимают участие блоки и пачки атомных плоскостей.

Полосы скольжения при пластической деформации нельзя представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой одновременный сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни и тысячи раз превышаю­щих напряжения, при которых протекает реальный процесс деформации. Полосы скольжения наблюдаемые на микроструктуре чистого железа представляют собой результат последовательного перемещения атомов в определённой плоскости.

Процесс скольжения представляет собой перемещение дислокаций в кристалле. При сдвиге происходит нарушение ме­таллических связей в каждый данный момент времени только у тех атомов вдоль плоскости скольжения, где имеются раз­личные несовершенства кристаллической решетки (нарушения правильности ее строения).

Читайте также:  В идеальном колебательном контуре амплитуда колебаний силы тока в катушке индуктивностью 5ма

Несовершенства кристаллической решетки связаны с рядом причины. В реальном кристалле все его частицы (электроны, атомы и ионы) находятся в движении: движутся оторванные от атомов коллективизированные . электроны, обеспечивающие металлическую связь; в колебательном движении около своих средних положений устойчивого равновесия находятся атомы и ионы; время от времени отдельные атомы или ионы отрываются от средних положений и перемещаются по кристаллу, застре­вая где-либо в кристалле и вызывая этим нарушение правиль­ности построения кристаллической решетки, или покидают кристалл (испаряются), оставляя свое место вакантным. Вы­шедший из равновесного положения атом называют промежу­точным, или дислоцированным, а место, оставшееся пустым в узле кристаллической решетки,—вакантным, или «вакан­сией». Процесс движения атомов, ионов и электронов продол­жается непрерывно, а вместе с ними движется и вакантный узел. Одни вакантные узлы, выходя на наружную поверхность или на поверхность какого-либо внутреннего дефекта, исчезают, другие вновь создаются. В результате в каждый данный момент времени в кристалле имеется какое-то количество вакантных мест, или застрявших атомов, вокруг которых возникают несо­вершенства кристаллической решётки .

Другой причиной несовершенства кристаллической решетки является присутствие в металлах примесей. При затвердевании металла из жидкой фазы в кристаллы попадают атомы примесей, которые могут образовывать твердые растворы внедрения или твердые растворы замещения. Атомы примесей (или атомы растворенного компонента) по своей физической природеиразмерам отличаются от атомов основного металла и вследствие этого вызывают искажения кристаллической решетки (см.рис. 4.10,в, г).

Кроме того, у границ зерен при кристаллизации и перекри­сталлизации наблюдается, неправильность внешней формы зёрен металла (см. рис. 4.7), а также различие в направлениях отдельных кристаллографических плоскостей в смежных зернах. Это приводит к тому, что пограничный слой на стыке между зернами имеет нарушения правильности взаимного расположения атомов (см. рис. 4.6). Особенностью строения этого пограничного слоя является также и то, что он обычно насыщен примесями и неметаллическими включениями. Это обусловли­вает появление внутренних и внешних поверхностей раздела между отдельными зернами, что вызывает искажение кристал­лической решетки. Количество нарушений правильного строе­ния кристаллической решетки в реальных кристаллах очень ве­лико. Подсчитано, например, что в 1 мм 3 алюминия при 300 °С имеется примерно 6-10 13 вакантных мест и 2-10 17 атомов при­месей кремния в решетке алюминия (при содержании в алю­минии 0,3% Si); в указанном объеме существуют внутренние поверхности раздела по границам 10 12 блоков и внешние по­верхности раздела по границам 10 13 зерен (линейные размеры зёрен приняты равными 100 мкм).

Рассмотренные и другие виды нарушений строения реального металла создают области искажений кристаллической

решетки, которые приводят к неравномерности протекания в металлах различных процессов, например, деформации.

При приложении деформирующей силы к поликристаллическому телу с несовершенным строением кристаллической ре­шетки в теле возникает одна или несколько плоскостей сколь­жения, вдоль которых перемещается дефект в атомном слое пу­тем передвижения друг за другом атомных рядов (рис. 5.2). В результате сдвигается верхний слой, а с ним и верхняя часть кристалла относительно другого, нижнего слоя на один атом­ный размер. При продолжении действия деформирующей силы обеспечивается перемещение следующего дефекта; при этом, как и ранее, передвигается часть кристалла еще дальше на один атомный размер и т. д.

Рис. 6.2. Схема перемещения атомов при движении дислокации на одномежатомноерасстояние

Подвижные дефекты кристаллической решетки, при переме­щении которых происходит смещение частей кристалла друг от­носительно друга, называют дислокациями.

Итак, пластическая внутризеренная деформация осущест­вляется благодаря действию касательных напряжений по опре­деленным плоскостям скольжения за счет последовательного смещения дислокации и атомов на расстояния, значительно пре­вышающие межатомные.

При нагружении поликристаллического тела внешней силой пластическая деформация сначала начинается в отдельных зер­нах с наиболее благоприятной ориентировкой плоскостей сколь­жения относительно направления действия силы, т. е. такой ориентировкой, при которой плоскости скольжения совпадают с площадками действия максимальных касательных напряже­ний, вызываемых внешней силой. По этим плоскостям сколь­жения происходит так называемое легкое скольжение. Сосед­ние зерна с менее благоприятной ориентировкой деформиру­ются только упруго и могут получить относительное смещение или поворот вследствие значительной внутризеренной деформа­ции благоприятно ориентированных зерен.

По мере увеличения деформирующей силы менее благо­приятно ориентированные зерна поворачиваются в направлении действия внешней силы. После стадии единичного (легкого) скольжения начинается стадия множественного скольжения, т. е. движение дислокации в двух и более системах плоскостей скольжения. Касательные напряжения, действующие в менее благоприятных плоскостях скольжения, достигают величины, необходимой для начала пластической деформации этих зерен. Смещения и повороты одних зерен относительно других приво­дят к межкристаллитной деформации. Продолжение действия внешней силы обеспечивает развитие пластической деформации обрабатываемого тела.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Деформация металла при сварке

Деформация металла при сварке

Вопросы, рассмотренные в материале:

  • Причины деформации металла при сварке
  • Виды деформаций металла после сварки
  • О тестировании сварных швов и расчете деформаций металла при сварке
  • Способы устранения деформации металла при сварке
  • Способы избежать деформации металла при сварке

Деформация металла при сварке – это явление, которое приводит к нарушению геометрии изделий и, следовательно, к браку продукции. Подобное может наблюдаться даже в работе опытных сварщиков. Соблюдение ряда правил позволяет снизить вероятность появления деформации и получить качественное и надежное соединение.

Существует множество причин возникновения деформации металла при сварке. О том, с чем они связаны, какие меры принимают для профилактики этого явления и что делают для исправления, читайте в нашем материале.

Причины деформации металла при сварке

Если на металлический предмет оказывается механическое воздействие, то в нем возникают напряжение и искажение. Первое характеризуется силой давления, оказываемой на единицу площади. Второе – нарушением габаритов и формы изделия из-за силового воздействия.

Причины деформации металла при сварке

Напряжения появляются в деталях под влиянием практически любого усилия. Это может быть растягивание, изгиб, сжимание или резка. В ходе сварки следует внимательно следить за показателями как деформации, так и напряжения. Если превысить допустимые значения, то конструкция (частично или полностью) может разрушиться.

Рекомендовано к прочтению

Сварочные деформации возникают под влиянием различного рода напряжений, появляющихся внутри изделия. Основные причины их появления специалисты объединяют в две большие группы: основные, которые считаются неизбежными и постоянно появляются в ходе сварки, а также сопутствующие, устранение которых вполне возможно.

К основным причинам возникновения деформации и напряжения в ходе сварочных работ относят следующие:

  • Структурные видоизменения, которые, влияя на металл, вызывают напряжения (растягивающие и сжимающие). Происходит это в ходе охлаждения деталей из легированных или высокоуглеродистых стальных сплавов. При этом размеры изделия, а также зернистая структура материала нарушаются. В итоге изначальный объем изменяется, что приводит к увеличению напряжения внутри детали.
  • Неравномерный прогрев. Первичному нагреву в ходе сварочных работ подлежит только рабочая зона изделия. По мере увеличения температуры материал расширяется, воздействуя на мало прогретые слои металла. При прерывистом прогреве концентрация напряжений сварного шва достигает высоких значений. Ее показатель зависит от рабочей температуры, теплопроводности материала и уровня линейного расширения.
  • Литейная усадка. Она происходит в ходе кристаллизации материала, характеризуется уменьшением объема металла, возникает из-за сварочного напряжения (продольного и поперечного), которое появляется в процессе усадки расплава.

Сварочное напряжение могут вызвать не только механические воздействия. Сплавам различных металлов вообще свойственны свои деформации и напряжения. Они делятся на временные и на остаточные. Пластичная деформация металла при сварке вызывает остаточные, не исчезающие и после остывания материала. Временные же возникают при сварке прочно закрепленной детали.

К побочным или сопутствующим деформациям при проведении сварочных работ можно отнести:

  • любые отклонения от нормативов в технологическом процессе – примером может быть плохая подготовка детали к сварке, неправильный выбор электрода, нарушение режима сварочного процесса и пр.;
  • несоответствия и ошибки, допущенные в конструировании изделия, – это могут быть неверно выбранный тип шва, часто расположенные соединения, малый зазор между сварными швами и пр.;
  • низкий профессионализм и небольшой опыт мастера.

Концентрацию напряжений в сварном шве может вызвать практически любая ошибка. Из-за них возникают технологические дефекты соединения: непровары, трещины, пузыри и прочий брак.

Виды деформаций металла после сварки

Существует несколько видов напряжений. Они отличаются временным интервалом (периодом действия), характером появления и прочими факторами.

Виды деформаций металла после сварки

Ниже представлена таблица возможных напряжений (какие встречаются и из-за чего появляются в сварном шве).

По причинам возникновения

Неравномерность прогрева, возникающая из-за перепада температуры при сварке

В случае нагрева металла выше максимально установленной температуры происходят изменения в структуре материала

По времени существования

Возникает в ходе фазовых видоизменений, но в процессе остывания уходит

Остается в деталях и после устранения причин возникновения

По задействованной площади

Имеющееся во всей конструкции

Проявляющееся исключительно в зернах структуры металла

Присутствующее в кристаллической решетке материала

По направленности воздействия

Появляется по линии шва

Размещается поперек оси соединения

По состоянию напряжения

Происходит только в одном направлении

Распространяется на два различных направления

Воздействие происходит по трем осям

В ходе сварочного процесса происходят следующие виды деформации:

  • Местные и общие. При местных деформациях изменениям подвержены только части конструкции. Общие же деформируют изделие полностью и сразу, меняя его размеры и искривляя геометрическую ось.
  • Временные и конечные. Остаточные (конечные) деформации остаются в изделии даже после его охлаждения, а временные появляются в отдельные моменты времени.
  • Упругие и пластичные. При восстановлении формы и габаритов изделия по окончании сварки деформация считается упругой. При наличии постоянных дефектов – пластичной.

Материал может быть деформирован вне плоскости сварного изделия или внутри него.

Разнонаправленность сил, действующих относительно сечения материала, приводит к возникновению различных напряжений: сжатия либо изгиба, растяжения, кручения, среза.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций металла при сварке

Швы обязательно проходят тестирование на надежность и прочность соединений. В ходе проверки проверяется также наличие дефектов. Это позволяет быстро обнаружить и устранить возникший в процессе сварки брак.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций металла при сварке

Существует несколько типов контроля, позволяющих найти изъяны:

  • разрушающий – процесс, который часто используется на промышленных предприятиях, дает возможность провести проверку физических свойств шва;
  • неразрушающий – включает внешний осмотр шва, ультразвуковую или магнитную дефектоскопию, капиллярный метод, проверку проницаемости и прочие методы.

Важным в изготовлении сварных конструкций является определение вероятных напряжений и деформаций в ходе работ. Причина заключается в том, что они изменяют форму и размер изделия, снижают его прочность, что приводит к изменениям в эксплуатационных качествах конструкции далеко не в лучшую сторону.

Необходимо проводить тщательный расчет деформаций и напряжений при различных процессах сварки, правильно запланировать последовательность операций для того, чтобы в результате на конструкцию воздействовало минимум напряжений, а количество дефектов стремилось к нулю.

Способы устранения деформации металла при сварке

Убрать деформацию материала, возникшую в ходе сварки, можно с помощью правки. Она бывает холодной механической, термомеханической и термической, включающей как местный, так и общий нагрев. Перед проведением последнего изделие жестко фиксируют в устройстве, оказывающем давление на изменяемые части конструкции. Затем оно размещается в разогревающей печи.

Способы устранения деформации металла при сварке

Суть термического метода заключается в сжимании металла при его охлаждении. Происходит процесс разогрева растянутого участка горелкой или дугой. При этом окружающий место разогрева материал должен оставаться холодным, что не дает значительно расшириться горячему участку. Далее при остывании изделия происходит постепенное выпрямление конструкции. Больше всего данный метод подходит для устранения деформаций балок, полос листового материала и пр.

Принцип холодной правки заключается в постоянном воздействии на изделие нагрузок. Для этого используют различные прессы и валки, существующие для прокатки по ним длинных конструкций. Для исправления деформаций растянутых конструкций применяют термическую правку. Сначала происходит сбор лишнего металла, а затем – разогрев проблемного места.

Сложно сказать, какой из методов является предпочтительным. Для каждого вида, места (снаружи или изнутри), особенностей деформации и напряжения, а также габаритов и формы изделия существуют свои способы их устранения. Важным являются трудозатраты и эффективность метода.

Способы избежать деформации металла при сварке

Устранение проблем значительно сложнее их предупреждения. Эта аксиома в равной степени относится и к сварке. Брак всегда приводит к дополнительным финансовым вложениям. Для его предотвращения необходимо сосредоточиться на мерах, помогающих бороться с деформациями и напряжениями.

Способы избежать деформации металла при сварке

Отвечая на вопрос о том, как избежать деформации при сварке листового металла или свести ее к минимуму, следует запомнить связь между причинами появления и мерами предупреждения. Следовательно, перед началом работ необходимо все тщательно рассчитать и подготовиться. Только после окончания данного этапа можно будет проводить сварку металлических конструкций.

Сила, приложенная к конструкции, прямо пропорциональна степени ее деформации. Значит, чем большая сила воздействует на изделие, тем значительнее его деформация.

    Сопроводительный и предварительный подогрев.

Данные виды разогрева способствуют улучшению качественных характеристик как самого сварного соединения, так и участков, расположенных в непосредственной близости от него. Кроме того, уменьшаются пластические деформации и остаточное напряжение. Этот метод чаще всего используют для сплавов, которые имеют склонность к закалке и появлению кристаллизационных трещин.

Читайте также:  Как мультиметром проверить силу тока в амперах

Наложение швов в обратноступенчатом порядке.

При протяженности более 1 000 мм шов разбивается на части длиной от 100 до 150 мм. Новое соединение создается в противоположную от основной сварки сторону. При этом металл разогревается более равномерно, что снижает деформацию. Данный способ не является методом последовательного наложения.

Проковка швов.

Проковке подлежит и нагретый, и холодный материал. Удар как бы разжимает металл в стороны. Тем самым снижается напряжение растягивания. Данный метод не используется на конструкциях, сделанных из металла, склонного к возникновению в нем закалочных структур.

Выравнивание деформаций.

Суть метода заключается в том, чтобы подобрать порядок, в котором нужно будет делать швы. Новый шов должен обязательно создать деформацию, которая будет противодействовать предыдущему. Этот способ часто применяется при сварке двусторонних соединений.

Жесткое крепление деталей.

Сварка предваряется прочным и жестким креплением изделия в кондукторах. После завершения процесса конструкция полностью охлаждается, после чего вынимается из крепежа. Существенным недостатком метода является вероятность возникновения внутреннего напряжения изделия.

Термическая обработка.

Сварка без деформации металла может быть проведена с помощью термической обработки. При этом существенно улучшаются характеристики соединения и окружающего его металла, снижается напряжение внутри изделия и выравнивается структура шва. Отпуск, отжиг (состоящий из низкотемпературного или полного) и нормализация – это операции, составляющие термическую обработку металла.Термическая обработка

Нормализация считается оптимальным способом обработки швов изделий, выполненных из низкоуглеродистых сталей.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

  • цветные металлы;
  • чугун;
  • нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Источник

Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

  • На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
  • Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
  • Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Объяснения возникновения индукционного тока

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

  • источник – переменное магнитное поле;
  • обнаруживается по действию на заряд;
  • не является потенциальным;
  • линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Магнитный поток

Магнитным потоком через площадь ​ \( S \) ​ контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ​ \( B \) ​, площади поверхности ​ \( S \) ​, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ​ \( \alpha \) ​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Обозначение – ​ \( \Phi \) ​, единица измерения в СИ – вебер (Вб).

Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​ \( \alpha \) ​ магнитный поток может быть положительным ( \( \alpha \) \( \alpha \) > 90°). Если \( \alpha \) = 90°, то магнитный поток равен 0.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из ​ \( N \) ​ витков, то ЭДС индукции:

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ​ \( R \) ​:

При движении проводника длиной ​ \( l \) ​ со скоростью ​ \( v \) ​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​ \( \vec \) ​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

где ​ \( \alpha \) ​ – угол между векторами ​ \( \vec \) ​ и \( \vec \) .

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

  • магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;
  • вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

  • в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;
  • в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Правило Ленца

Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:

  • определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
  • выяснить, как изменяется магнитный поток;
  • определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
  • по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Самоиндукция

Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.

При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.

Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.

При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

ЭДС самоиндукции ​ \( \varepsilon_ \) ​, возникающая в катушке с индуктивностью ​ \( L \) ​, по закону электромагнитной индукции равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Индуктивность

Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток ​ \( \Phi \) ​ через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции ​ \( \vec \) ​ магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.

Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:

Индуктивность – коэффициент пропорциональности ​ \( L \) ​ между силой тока ​ \( I \) ​ в контуре и магнитным потоком ​ \( \Phi \) ​, создаваемым этим током:

Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:

Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.

Энергия магнитного поля

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа накаливания, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции.

Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Для создания тока в контуре с индуктивностью необходимо совершить работу на преодоление ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля тока вычисляется по формуле:

Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»

Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:

1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

2. Записать формулу:

  • закона электромагнитной индукции;
  • ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.

3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.

4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).

5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.

Источник