Principer för mätning av magnetfält, instrument för mätning av magnetfältsparametrar

De första magnetiska kompasserna som visar riktningar till jordens magnetiska poler dök upp på 300-talet f.Kr. i Kina. Det var anordningar i form av kortskaftade runda skänkar gjorda av magnetisk järnmalm.

Skeden placerades med sin konvexa del på en slät koppar- eller träyta, på vilken det ritades uppdelningar med bilder av zodiakens tecken, som indikerar kardinalpunkterna. För att aktivera kompassen trycktes skeden lätt och den började rotera. Så småningom, när skeden stannade, var dess handtag spetsigt precis lagom mot jordens magnetiska sydpol.

Från 1100-talet användes kompasser aktivt av resenärer i Europa. De installerades på både landtransport- och sjöfartyg för att fastställa den magnetiska avvikelsen.

Från slutet av 1700-talet blev magnetiska fenomen föremål för noggrann studie för den tidens vetenskapsmän. Pendant 1785 föreslog en metod för att kvantifiera styrkan hos jordens magnetfält. År 1832Gauss visade möjligheten att bestämma det absoluta värdet av magnetfältets styrka genom mer exakta mätningar.

Sambandet mellan magnetiska fenomen och krafteffekter som observerades under elektriska laddningars rörelse etablerades först 1820 av Oersted. Maxwell skulle senare skriva detta förhållande i rationell form— i form av matematiska ekvationer (1873):

Hittills används följande teknik för att mäta parametrarna för det magnetiska fältet:

• teslametrar - anordningar för att mäta värdena för kraften H eller induktionen av magnetfältet B;

• webbmätare — instrument för att mäta storleken på det magnetiska flödet Ф;

• gradiometrar — anordningar för mätning av magnetfältsinhomogeniteter.

finns också:

• anordningar för att mäta det magnetiska momentet M;

• instrument för att mäta riktningen för vektorn B;

• instrument för att mäta magnetiska konstanter av olika material.

Magnetisk induktionsvektor B kännetecknar intensiteten av den starka sidoverkan magnetiskt fält (till pol eller till ström) och är därför dess huvudsakliga egenskap vid en given punkt i rymden.

Det magnetiska fältet som studeras kan således interagera starkt med antingen en magnet eller ett strömelement, och är också kapabelt att inducera en induktions-EMK i kretsen om magnetfältet som penetrerar kretsen förändras över tiden eller om kretsen ändrar position är relativt till magnetfältet.

Ett strömförande element med längden dl i ett magnetiskt induktionsfält B kommer att påverkas av en kraft F, vars värde kan hittas med följande formel:

Därför kan induktionen B av det studerade magnetfältet hittas av kraften F, som verkar på en ledare av en given längd l, med en likström av ett känt värde I, placerad i detta magnetfält.

I praktiken utförs magnetiska mätningar bekvämt med en storhet som kallas det magnetiska momentet. Det magnetiska momentet Pm karakteriserar konturen av regionen S med strömmen I, och storleken på det magnetiska momentet bestäms enligt följande:

Om en spole med N varv används, kommer dess magnetiska moment att vara lika med:

Det mekaniska momentet M för den magnetiska interaktionskraften kan hittas baserat på värdena för det magnetiska momentet Pm och magnetfältsinduktionen B enligt följande:

Men för att mäta ett magnetfält är det inte alltid bekvämt att använda dess manifestationer av mekanisk kraft. Lyckligtvis finns det ett annat fenomen som du kan lita på. Detta är fenomenet elektromagnetisk induktion. Lagen för elektromagnetisk induktion i matematisk form är skriven enligt följande:

Således manifesterar magnetfältet sig som krafter eller inducerad EMF. I detta fall är källan till själva magnetfältet, som känt, en elektrisk ström.

Om strömmen som genererar magnetfältet vid en given punkt i rymden är känd, kan magnetfältets styrka vid den punkten (på ett avstånd r från strömelementet) hittas använda Biot-Savart-Laplace-lagen:

Det bör noteras att den magnetiska induktionen B i ett vakuum är relaterad till den magnetiska fältstyrkan H (genererad av motsvarande ström) genom följande relation:

Vakuummagnetkonstanten i SI-systemet definieras i ampere.För ett godtyckligt medium är denna konstant förhållandet mellan den magnetiska induktionen i ett givet medium och den magnetiska induktionen i vakuum, och denna konstant kallas mediets magnetiska permeabilitet:

Luftens magnetiska permeabilitet sammanfaller praktiskt taget med vakuumets magnetiska permeabilitet; därför, för luft, är den magnetiska induktionen B praktiskt taget identisk med magnetfältsspänningen H.

En enhet för mätning av magnetisk induktion i NE — Tesla [T], i CGS-systemet — Gauss [G], och 1 T = 10000 G. Mätanordningar för att bestämma magnetfältsinduktion kallas teslametrar.

Magnetfältsstyrkan H mäts i ampere per meter (A/m), 1 ampere/meter definieras som magnetfältstyrkan för en oändlig längd solenoid med enhetsvarvdensitet när en 1 ampere solenoidström flyter genom den. En ampere per meter kan definieras på ett annat sätt: det är styrkan på magnetfältet i mitten av en cirkulär krets med en ström på 1 ampere med en slingdiameter på 1 meter.

Här är det värt att notera ett sådant värde som det magnetiska induktionsflödet - F. Detta är en skalär storhet, i SI-systemet mäts den i Webers och i CGS-systemet - i Maxwells, med 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber är ett magnetiskt flöde av sådan storlek att när det minskar till noll kommer en 1-coulomb laddning att passera genom en ledande krets med en resistans på 1 Ohm kopplad till den.

Om vi ​​tar det magnetiska flödet F som ett initialt värde, så blir magnetfältsinduktionen B inget annat än den magnetiska flödestätheten. Enheter för att mäta magnetiskt flöde kallas webbmätare.

Vi noterade ovan att den magnetiska induktionen kan bestämmas antingen av kraften (eller av det mekaniska momentet) eller av den EMF som induceras i kretsen. Dessa är de så kallade direktmätningskonverteringarna, där det magnetiska flödet eller magnetiska induktionen uttrycks av en annan fysisk storhet (kraft, laddning, moment, potentialskillnad) som är unikt relaterad till den magnetiska storheten med hjälp av en grundläggande fysisk lag.

Transformationer där den magnetiska induktionen B eller det magnetiska flödet F går genom strömmen I eller längden l eller radien r kallas omvända transformationer. Sådana transformationer utförs på grundval av Biot-Savart-Laplace-lagen, med användning av det kända förhållandet mellan den magnetiska induktionen B och styrkan på magnetfältet H.