ZABURZENIA SŁABEGO POLA MAGNETYCZNEGO PRZEZ ZANIECZYSZCZONE MAGNETYCZNIE TWORZYWA SZTUCZNE

Transkrypt

1 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 77 Electical Engineeing 2014 Kazimiez JAKUBIUK* Miosław WOŁOSZYN* ZABURZENIA SŁABEGO POLA MAGNETYCZNEGO PRZEZ ZANIECZYSZCZONE MAGNETYCZNIE TWORZYWA SZTUCZNE Badanie słabych pól magnetycznych wymaga zastosowania pecyzyjnych magnetometów pacujących w układzie óżnicowym. Dwa magnetomety pompowane optycznie pacujące w układzie óżnicowym pozwalają na pomiay zabuzeń modułu indukcji magnetycznej zędu 10pT. Dla tak pecyzyjnych pomiaów pola magnetycznego niezbędne jest zastosowanie odpowiednich mateiałów wchodzących w skład budowy systemu magnetometycznego. Pzedstawiono wyniki analizy zabuzenia pola magnetycznego spowodowane pzez amagnetyczne elementy statywu pomiaowego systemu magnetometycznego, któe zostały zanieczyszczone w takcie podukcji lub obóbki mechanicznej dobinami i opiłkami o właściwościach feomagnetycznych. Pzedstawiono ównież wyniki badań ekspeymentalnych zabuzeń pola magnetycznego wywołanych pzez elementy z twozyw sztucznych. SŁOWA KLUCZOWE: pole magnetyczne, magnetomet pompowany optycznie, twozywa sztuczne, zabuzenie pola magnetycznego 1. WSTĘP Każdy obiekt zbudowany z mateiałów feomagnetycznych, znajdujący się w ziemskim polu magnetycznym, powoduje zabuzenie ównomieności tego pola. Zabuzenie to zależy od kształtu, ozmiaów i właściwości feomagnetycznych obiektu oaz jego położenia względem wektoa indukcji magnetycznej Ziemi. Współczesne magnetomety pompowane optycznie, nazywane dalej magnetometami skalanymi, umożliwiają pomia modułu indukcji magnetycznej z czułością zędu 4 pt/hz 0,5 [1]. Realna czułość magnetometów pacujących w układzie óżnicowym zamontowanych na uchomych platfomach wynosi kilkadziesiąt pt/hz 0,5 [1, 3]. Dla pomiaów tak słabych pól magnetycznych istotne znaczenie ma właściwy dobó mateiałów zastosowanych do budowy systemu magnetometycznego, w tym zwłaszcza odpowiedniego statywu pomiaowego do mocowania magnetometów. Aby sam statyw nie wpowadzał zabuzenia ozkładu * Politechnika Gdańska.

2 30 Kazimiez Jakubiuk, Miosław Wołoszyn pola magnetycznego powinien być wykonany z mateiałów amagnetycznych. W paktyce, w pocesie wytwazania i obóbki mechanicznej poszczególnych mateiałów lub elementów z tych mateiałów, zostają one zanieczyszczone dobinami lub opiłkami o właściwościach feomagnetycznych. W pzypadku ekanów elektomagnetycznych zbudowanych z kompozytów specjalnie wpowadza się w stuktuę twozywa sztucznego mateiały pzewodzące pąd elektyczny oaz mateiały magnetyczne [5, 6]. W pacy pzedstawiono wyniki badań zabuzenia pola magnetycznego Ziemi spowodowane pzez cienką wastwę magnetyczną na powiezchni amagnetycznego walca oaz pzez pojedynczy opiłek feomagnetyczny. Pzedstawiono ównież wyniki badań ekspeymentalnych zabuzeń pola amagnetycznego wywołane pzez elementy z twozyw sztucznych. 2. ZABURZENIE POLA MAGNETYCZNEGO ZIEMI PRZEZ WALEC I ELIPSOIDĘ OBROTOWĄ Zanieczyszczenie powiezchniowe feomagnetykiem nieskończenie długiego, amagnetycznego walca zamodelowano jako cienką wastwę magnetyczną o względnej pzenikalności magnetycznej w wastwie pzypowiezchniowej walca (ys. 1). Walec umieszczony jest w ównomienym, stacjonanym polu magnetycznym o natężeniu H o. W analizowanym układzie nie występują pądy, wobec czego pole magnetyczne jest polem bezwiowym. W wkładzie współzędnych walcowych pole magnetyczne zależy tylko od współzędnych i (ys. 1). Rys. 1. Amagnetyczny walec z cienką wastwą feomagnetyczną: 1 podobsza wewnętzny amagnetycznego walca, 2 wastwa o właściwościach feomagnetycznych, 3 podobsza zewnętzny W poszczególnych podobszaach walca skalany potencjał magnetyczny V m spełnia ównanie Laplace'a, któe w układzie współzędnych walcowych wyaża się wzoem:

3 Zabuzenia słabego pola magnetycznego pzez zanieczyszczone magnetycznie Vm 1 Vm 0 (1) 2 2 Ogólne ozwiązania ównania (1) w tzech podobszaach (ys.1) mają postać [4]: A cos R (2) V m A3 V m 2 ( A2 ) cos R1 R2 (3) A4 Vm3 (-Ho ) cos R2 (4) Składowe wektoa natężenia pola magnetycznego na zewnątz walca ( > R 2 ) wynoszą: A4 H ( Ho )cos (5) 2 A4 H ( H o ) sin 2 (6) Składowe natężenie pola magnetycznego H θ i H spełniają następujące waunki bzegowe na ganicach poszczególnych podobszaów: H H R1 R1 (7) μ H H o H R1 R2 H R2 H R2 μ H o R1 R2 Założono, że względna, zastępcza pzenikalność magnetyczna wastwy twozywa zanieczyszczonego cząstkami o właściwościach feomagnetycznych zależy od pzenikalności magnetycznej mateiału tych cząstek oaz od ich liczby w jednostce objętości (gęstości). Z tego względu pzyjęto względną gęstość wastwy magnetycznej na powiezchni walca o pomieniu R 1 na jednostkę długości: 2 2 R2 R1 f 100% (9) 2 R2 oaz bezwymiaową odległość l b linii od śodka walca (ys.1), wzdłuż któej obliczone zostało zabuzenie pola magnetycznego Ziemi: l l b (10) Na ysunku 2 pzedstawiono obliczoną zależność względnej, zastępczej pzenikalności magnetycznej wastwy magnetycznej od paametu f (dla l b = 10 i zabuzenia pola magnetycznego ównego indukcji magnetycznej Ziemi, co ównoważne jest watości zabuzenia ównej 60 pt w podanej odległości l b ). R 1 1 (8)

4 32 Kazimiez Jakubiuk, Miosław Wołoszyn Dla względnej pzenikalności cząstek feomagnetycznych = 100 zabuzenie indukcji magnetycznej wynosi 60 pt dla paametu f = %, co odpowiada gubości wastwy feomagnetyka zędu 10 m dla walca o pomieniu R 1 = 5mm. Im gubsza jest wastwa magnetyczna tym mniejsza jej watość względnej, zastępczej pzenikalności magnetycznej powodująca to samo zabuzenie pola magnetycznego Ziemi. Dla paametu f > 1% właściwości magnetyczne mateiału wastwy na powiezchni walca odpowiadają właściwościom paamagnetyków. Na pzykład, dla aluminium gubość wastwy wynosi 12 mm, czyli dla f = 91% (dla walca o pomieniu R 1 = 5mm). Z pzepowadzonej analizy wynika, że jeżeli twozywo sztuczne jest zanieczyszczone magnetycznie pzez znikome ilości feomagnetyka, to powoduje istotne zabuzenie pola magnetycznego Ziemi w pzypadku pomiau badzo słabych pól magnetycznych. Rys. 2. Obliczona zależność zastępczej, względnej pzenikalności zanieczyszczonej magnetycznie wastwy walca amagnetycznego od względnej gęstości zanieczyszczenia magnetycznego (dla początkowej watości µ = 100 i f = ) Jako kolejny pzykład zabuzenia ozkładu pola magnetycznego Ziemi pzyjęto pojedynczy opiłek feomagnetyczny ( = 100) w kształcie wydłużonej elipsoidy o stosunku długości do śednicy ówny 10 i kieunku osi wzdłużnej zgodnej osią pionową, znajdujący się w śodku amagnetycznego walca. Pzyjmując model pola magnetycznego opiłka w postaci dipola magnetycznego otzymano analityczne zależności dla zabuzenia pola magnetycznego [3]. Zabuzenie o tej samej watości, jakie pzyjęto w pzypadku analizy zabuzenia pola magnetycznego pzez walec, w odległości l b = 10, wywołuje opiłek o długości 0.35R 1. Wynika z tego, że w odległości 5 cm od opiłka o długości 1.75 mm (odległość około 28 azy większa od długości opiłka) i śednicy mm zabuzenie indukcji magnetycznej Ziemi wynosi około 60 pt.

5 Zabuzenia słabego pola magnetycznego pzez zanieczyszczone magnetycznie WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH Magnetomety skalane posiadają tzw. błąd kieunkowy, któy zależny jest od położenia czujnika magnetometu względem wektoa indukcji magnetycznej Ziemi [1, 2]. Błąd ten w pzypadku magnetometów zbudowanych na bazie cezu wynosi 150 pt [1]. W celu pzepowadzenia kompensacji błędu kieunkowego magnetometu zbudowano specjalny obotowy statyw z mateiałów amagnetycznych. Statyw obotowy wykonany został z tekstolitu, u PVC oaz śub z poliamidu (ys. 3). Elementy statywu zostały wykonane na obabiakach. Wstępne badania magnetometu umieszczonego w statywie wykazały duże zabuzenia pola magnetycznego występujące podczas obotu czujnika. Z tego względu pzepowadzono badania wpływu poszczególnych elementów obotowego statywu na wyniki pomiaów zabuzenia ozkładu pola magnetycznego Ziemi. Rys. 3. Obotowy statyw do badania ozkładu zabuzenia pola magnetycznego Badania elementów obotowego statywu wykazały istotny ich wpływ na zabuzenie pola magnetycznego Ziemi. W celu zminimalizowania wpływu tych elementów poddano je wytawianiu w 10% oztwoze kwasu solnego, w celu usunięcia z tych elementów zanieczyszczeń feomagnetycznych, nazywane dalej oczyszczeniem magnetycznym. Na ys. 4 i ys. 5 pokazano wyniki pomiau zabuzenia modułu indukcji magnetycznej wywołane pzez zmianę położenia śuby z poliamidu (ys. 6) około 5 cm od czujnika magnetometu pzed i po oczyszczeniem magnetycznym. Zabuzenie modułu indukcji magnetycznej Ziemi wywołane pzez zanieczyszczoną śubę wyniosło około 160 pt (ys. 4). Oczyszczenie magnetyczne śuby okazało się skuteczne (ys. 5). Bak zabuzenia pola magnetycznego po wytawieniu śuby z poliamidu w ozcieńczonym kwasie solnym oznacza, że zanieczyszczenie magnetyczne miało chaakte powiezchniowy i zostało skutecznie wytawione pzez kwas.

6 34 Kazimiez Jakubiuk, Miosław Wołoszyn Rys. 4. Pzebieg zabuzenia modułu indukcji magnetycznej wywołany w czasie zmian położenia śuby z poliamidu w odległości 5 cm od czujnika magnetometu pzed oczyszczeniem magnetycznym Rys. 5. Pzebieg zabuzenia modułu indukcji magnetycznej wywołany w czasie zmian położenia śuby z poliamidu w odległości 5 cm od czujnika magnetometu po oczyszczeniu magnetycznym Rys. 6. Śuba z poliamidu (poównanie ozmiaów śuby z ozmiaem zapałki)

7 Zabuzenia słabego pola magnetycznego pzez zanieczyszczone magnetycznie 35 Na ys. 7 i ys. 8 pokazano zabuzenia modułu indukcji magnetycznej wywołane pzez zmianę położenia elementu zaciskającego czujnik wykonanego z tekstolitu (ys. 9) około 5 cm od czujnika magnetometu pzed i po oczyszczeniu magnetycznym. Zabuzenie modułu indukcji magnetycznej Ziemi wywołane pzez zanieczyszczony magnetycznie tekstolit wyniosło około 6000 pt (ys. 7). Wytawienie elementu w kwasie solnym spowodowało jedynie oczyszczenie jego powiezchni. Zabuzenie modułu indukcji magnetycznej zmniejszyło się do około 2000 pt (ys. 8). Rys. 7. Pzebieg zabuzenia modułu indukcji magnetycznej wywołany w czasie zmian położenia elementu zaciskającego czujnik z tekstolitu z odległości 5 cm od czujnika magnetometu pzed oczyszczeniem magnetycznym Rys. 8. Pzebieg zabuzenia modułu indukcji magnetycznej wywołany w czasie zmian położenia elementu zaciskającego czujnik z tekstolitu z odległości 5 cm od czujnika magnetometu po oczyszczeniem magnetycznym

8 36 Kazimiez Jakubiuk, Miosław Wołoszyn Wynika z tego, że tekstolit jest nieodpowiednim mateiałem do budowy obotowego statywu pomiaowego do badania magnetometów skalanych o wysokiej czułości. Mateiał ten posiada zanieczyszczenia magnetyczne w całej objętości. Należy jednak podkeślić, że nie każdy tekstolit wykazuje takie właściwości. Badania tekstolitu z innej patii podukcji wykazały paktycznie bak jego wpływu na zabuzenie magnetyczne. Rys. 9. Element zaciskający czujnik wykonany z tekstolitu (poównanie ozmiaów elementu z ozmiaem zapałki) 4. PODSUMOWANIE Pzepowadzona analiza zabuzenia pola magnetycznego wywołanego pzez walec z zanieczyszczoną magnetycznie wastwą powiezchniową wykazała, że zabuzenie modułu indukcji magnetycznej o watości zędu kilkudziesięciu pt w odległości 5 cm od czujnika magnetometu, powoduje badzo cienka wastwa feomagnetyka o względnej pzenikalności magnetycznej = 100 o gubości zędu dziesiątek m. Podobne zabuzenie wywołuje feomagnetyczny opiłek o długości 2 mm i śednicy 0,2 mm. Wynika z tego, że badzo ważny jest dobó mateiału amagnetycznego do budowy obotowego statywu oaz tzw. czyszczenie magnetyczne poszczególnych jego elementów. Podczas obóbki mechanicznej mateiału zostają wgniecione w jego powiezchnię mikoskopijne dobiny feomagnetyczne, np. z noża tokaskiego. Dobiny te lub też powiezchniowe zanieczyszczenia stalowym pyłem występującym w obabiace można skutecznie wyeliminować popzez oczyszczenie magnetyczne, polegające na wytawieniu wytwozonych elementów statywu w ozcieńczonym kwasie solnym. Pzepowadzone badania ekspeymentalne wykazały dużą skuteczność tej metody. Na podstawie pzepowadzonych badań ekspeymentalnych stwiedzono, że odpowiednimi mateiałami do budowy stanowiska do badania magnetometów skalanych są: poliamid, polietylen i polioksymetylen (Delin). Paca została sfinansowana w amach pojektu NCBiR n DOBR/0062/R/ID1/2012/03.

9 Zabuzenia słabego pola magnetycznego pzez zanieczyszczone magnetycznie 37 LITERATURA [1] [2] Wołoszyn M.: Kompensacja błędu kieunkowego magnetometu pompowanego optycznie. Pomiay Automatyka Kontola, n 12, s , [3] Wołoszyn M.: Detekcja, lokalizacja i identyfikacja obiektów feomagnetycznych z wykozystaniem magnetometów skalanych. Gdańsk: Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, [4] Giffiths D.: Podstawy elektodynamiki. PWN Waszawa [5] Colanei N.F., Shacklette L.W.: EMI shielding measuements of conductive polyme blends. IEEE Tans Instumentation Measuement 1992;41(2): [6] Yang S., Lozano K., Lomeli A., Foltz H., Jones R.: Electomagnetic intefeence shielding effectiveness of cabon nanofibe/lcp composites. Composites: Pat A 36 (2005) pp DISTURBANCES IN LOW MAGNETIC FIELD CAUSED BY MAGNETICALLY CONTAMINATED PLASTICS In the study of low magnetic fields pecision magnetometes woking in a diffeential system ae used. In ode to attain a high accuacy of magnetic field measuement, it is necessay to use appopiate mateials fo the constuction of a magnetometic system. Pactically duing the manufactuing pocess and mechanical teatment of paticula mateials, they become contaminated with small paticles o filings with feomagnetic popeties. These contaminations cause significant distubances in the magnetic field in case of taking measuements of vey low magnetic fields. An expeimental study of the components used fo the constuction of a otay suppot stand fo measuing metological paametes of the magnetomete confimed that magnetic contaminations have a significant impact on the occuence of distubances in the Eath s magnetic field. Supeficial contamination of the mateials with steel dust that occus in machine tools can be efficiently eliminated by magnetic cleaning which consists in pickling of the poduced components in a bath of diluted sulphuic acid. Expeimental studies confimed high efficiency of the above method.