Принципи за измерване на магнитни полета, инструменти за измерване на параметрите на магнитното поле

Първите магнитни компаси, посочващи посоки към магнитните полюси на Земята, се появяват през третия век пр. Н. Е. В Китай. Това бяха устройства под формата на кръгли наливни лъжици с къси дръжки, изработени от магнитна желязна руда.

Лъжицата беше поставена с изпъкналата си част върху гладка медна или дървена повърхност, по която бяха начертани разделения с изображения на знаците на зодиака, посочващи кардиналните точки. За да активирате компаса, лъжицата беше леко натисната и тя започна да се върти. В крайна сметка, когато лъжицата спря, дръжката й беше насочена точно към южния магнитен полюс на земята.

От дванадесети век компасите се използват активно от пътуващите в Европа. Те бяха инсталирани както на сухопътния транспорт, така и на морските плавателни съдове, за да се определи магнитното отклонение.

От края на осемнадесети век магнитните явления се превръщат в обект на внимателно проучване за учените от онова време. Висулка през 1785 г. предложи метод за количествено определяне на силата на земното магнитно поле. През 1832 г. Гаус показва възможността за определяне на абсолютната стойност на силата на магнитното поле чрез по -точни измервания.

Връзката между магнитните явления и силовите ефекти, наблюдавани по време на движението на електрически заряди, е установена за първи път през 1820 г. от Ерстед. По -късно Максуел ще напише тази връзка в рационална форма — под формата на математически уравнения (1873):

Към днешна дата се използва следната техника за измерване на параметрите на магнитното поле:

• тесламетри — устройства за измерване на стойностите на силата H или индукцията на магнитното поле B;

• уебметри — инструменти за измерване на магнитуда на магнитния поток Ф;

• градиометри — устройства за измерване на неоднородностите на магнитното поле.

съществуват също:

• устройства за измерване на магнитния момент М;

• инструменти за измерване на посоката на вектора В;

• инструменти за измерване на магнитни константи от различни материали.

Вектор на магнитната индукция B характеризира интензивността на силното действие отстрани магнитно поле (към полюс или към ток) и следователно е основната му характеристика в дадена точка на пространството.

По този начин изследваното магнитно поле може да взаимодейства силно или с магнит, или с токов елемент, а също така е в състояние да индуцира ЕМП на индукция във веригата, ако проникващото във веригата магнитно поле се промени с течение на времето или ако веригата промени позицията си спрямо магнитното поле.

На проводящ елемент с ток с дължина dl в магнитно поле с индукция B ще се действа със сила F, чиято стойност може да се намери, като се използва следната формула:

Следователно, индукцията B на изследваното магнитно поле може да се намери чрез силата F, която действа върху проводник с дадена дължина l, с постоянен ток с известна стойност I, поставен в това магнитно поле.

На практика магнитните измервания удобно се извършват с помощта на величина, наречена магнитен момент. Магнитният момент Pm характеризира контура на областта S с тока I, а величината на магнитния момент се определя, както следва:

Ако се използва намотка с N завъртания, тогава магнитният й момент ще бъде равен на:

Механичният момент M на силовото магнитно взаимодействие може да се намери въз основа на стойностите на магнитния момент Pm и индукцията на магнитното поле B, както следва:

Въпреки това, за да се измери магнитно поле, не винаги е удобно да се използват неговите прояви на механична сила. За щастие има още едно явление, на което можете да разчитате. Това е явлението електромагнитна индукция. Законът за електромагнитната индукция в математическа форма е написан, както следва:

И така, магнитното поле се проявява като сили или индуцирана ЕМП. В този случай източникът на самото магнитно поле, както е известно, е електрически ток.

Ако токът, генериращ магнитното поле в дадена точка от пространството, е известен, тогава силата на магнитното поле в тази точка (на разстояние r от токовия елемент) може да бъде намерена използвайки закона на Био-Саварт-Лаплас:

Трябва да се отбележи, че магнитната индукция B във вакуум е свързана със силата на магнитното поле H (генерирано от съответния ток) чрез следната връзка:

Магнитната константа на вакуума в системата SI се определя чрез ампери. За произволна среда тази константа е отношението на магнитната индукция в дадена среда към магнитната индукция във вакуум и тази константа се нарича магнитна пропускливост на средата:

Магнитната пропускливост на въздуха практически съвпада с магнитната пропускливост на вакуума; следователно, за въздуха магнитната индукция В е практически идентична с напрежението на магнитното поле H.

Единица за измерване на магнитна индукция в СИ — Tesla [T], в CGS системата — Gauss [G], и 1 T = 10000 G. Измервателните уреди за определяне на индукцията на магнитно поле се наричат ​​тесламетри.

Силата на магнитното поле H се измерва в ампери на метър (A / m), като 1 ампер / метър е определен като силата на магнитното поле на соленоид с безкрайна дължина с единична плътност на завъртания, когато през това протича ток от 1 ампер соленоид. Един ампер на метър може да бъде определен по друг начин: това е силата на магнитното поле в центъра на кръгла верига с ток от 1 ампер с диаметър на контура 1 метър.

Тук си струва да се отбележи такава стойност като магнитния поток на индукция — F. Това е скаларна величина, в системата SI се измерва във Вебер, а в системата CGS — в Максуелс, с 1 μs = 0.00000001 Wb. 1 Вебер е магнитен поток с такава величина, че когато намалее до нула, 1-кулонов заряд ще премине през проводяща верига със съпротивление 1 Ohm, свързано към него.

Ако вземем магнитния поток F за начална стойност, тогава индукцията на магнитното поле B няма да бъде нищо повече от плътността на магнитния поток. Устройствата за измерване на магнитния поток се наричат ​​уебметри.

По -горе отбелязахме, че магнитната индукция може да се определи или чрез силата (или чрез механичния момент), или чрез ЕМП, индуцирана във веригата. Това са така наречените директни измервателни преобразувания, при които магнитният поток или магнитната индукция се изразяват чрез друга физическа величина (сила, заряд, момент, потенциална разлика), която е уникално свързана с магнитната величина посредством основен физически закон.

Трансформациите, където магнитната индукция B или магнитният поток F се намират през тока I или дължината l или радиуса r, се наричат ​​обратни трансформации. Такива трансформации се извършват въз основа на закона на Био-Саварт-Лаплас, като се използва известната връзка между магнитната индукция В и силата на магнитното поле Н.