Αρχές μέτρησης μαγνητικών πεδίων, όργανα μέτρησης παραμέτρων μαγνητικού πεδίου

Οι πρώτες μαγνητικές πυξίδες που έδειχναν κατευθύνσεις προς τους μαγνητικούς πόλους της Γης εμφανίστηκαν τον τρίτο αιώνα π.Χ. στην Κίνα. Αυτές ήταν συσκευές με τη μορφή στρογγυλών κουταλιών με κοντή λαβή κατασκευασμένες από μαγνητικό σιδηρομετάλλευμα.

Το κουτάλι τοποθετούνταν με το κυρτό μέρος του σε λεία χάλκινη ή ξύλινη επιφάνεια, πάνω στην οποία σχεδιάζονταν τμήματα με εικόνες των ζωδίων, που έδειχναν τα βασικά σημεία. Για να ενεργοποιηθεί η πυξίδα, πιέστηκε ελαφρά το κουτάλι και άρχισε να περιστρέφεται. Τελικά, όταν το κουτάλι σταμάτησε, η λαβή του ήταν στραμμένη ακριβώς δεξιά προς το νότιο μαγνητικό πόλο της γης.

Από τον δωδέκατο αιώνα, οι πυξίδες χρησιμοποιήθηκαν ενεργά από τους ταξιδιώτες στην Ευρώπη. Εγκαταστάθηκαν τόσο σε πλοία χερσαίας μεταφοράς όσο και σε θαλάσσια για τον προσδιορισμό της μαγνητικής απόκλισης.

Από τα τέλη του δέκατου όγδοου αιώνα, τα μαγνητικά φαινόμενα έγιναν αντικείμενο προσεκτικής μελέτης για τους επιστήμονες εκείνης της εποχής. Ο Pendant το 1785 πρότεινε μια μέθοδο για τον ποσοτικό προσδιορισμό της ισχύος του μαγνητικού πεδίου της Γης. Το 1832Ο Gauss έδειξε τη δυνατότητα προσδιορισμού της απόλυτης τιμής της έντασης του μαγνητικού πεδίου μέσω πιο ακριβών μετρήσεων.

Η σύνδεση μεταξύ μαγνητικών φαινομένων και δυνάμεων που παρατηρούνται κατά την κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων ιδρύθηκε για πρώτη φορά το 1820 από τον Oersted. Ο Μάξγουελ θα έγραφε αργότερα αυτή τη σχέση σε ορθολογική μορφή- με τη μορφή μαθηματικών εξισώσεων (1873):

Μέχρι σήμερα, η ακόλουθη τεχνική χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των παραμέτρων του μαγνητικού πεδίου:

• Teslameters — συσκευές για τη μέτρηση των τιμών της δύναμης H ή της επαγωγής του μαγνητικού πεδίου B.

• webmeters — όργανα για τη μέτρηση του μεγέθους της μαγνητικής ροής Ф.

• κλαδιόμετρα — συσκευές για τη μέτρηση των ανομοιογενειών του μαγνητικού πεδίου.

υπάρχουν επίσης:

• συσκευές για τη μέτρηση της μαγνητικής ροπής M;

• όργανα για τη μέτρηση της κατεύθυνσης του διανύσματος Β.

• όργανα μέτρησης μαγνητικών σταθερών διαφόρων υλικών.

Διάνυσμα μαγνητικής επαγωγής Το Β χαρακτηρίζει την ένταση της ισχυρής παράπλευρης δράσης μαγνητικό πεδίο (στον πόλο ή στο ρεύμα) και επομένως είναι το κύριο χαρακτηριστικό του σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου.

Έτσι, το υπό μελέτη μαγνητικό πεδίο μπορεί να αλληλεπιδράσει έντονα είτε με έναν μαγνήτη είτε με ένα στοιχείο ρεύματος και είναι επίσης ικανό να επάγει ένα επαγωγικό EMF στο κύκλωμα εάν το μαγνητικό πεδίο που διεισδύει στο κύκλωμα αλλάξει με την πάροδο του χρόνου ή εάν το κύκλωμα αλλάξει θέση σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο.

Ένα στοιχείο μεταφοράς ρεύματος μήκους dl σε ένα μαγνητικό πεδίο επαγωγής B θα ασκηθεί από μια δύναμη F, η τιμή της οποίας μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

Επομένως, η επαγωγή Β του μελετώμενου μαγνητικού πεδίου μπορεί να βρεθεί από τη δύναμη F, η οποία επιδρά σε αγωγό δεδομένου μήκους l, με συνεχές ρεύμα γνωστής τιμής I, τοποθετημένο σε αυτό το μαγνητικό πεδίο.

Στην πράξη, οι μαγνητικές μετρήσεις εκτελούνται εύκολα χρησιμοποιώντας μια ποσότητα που ονομάζεται μαγνητική ροπή. Η μαγνητική ροπή Pm χαρακτηρίζει το περίγραμμα της περιοχής S με το ρεύμα I και το μέγεθος της μαγνητικής ροπής προσδιορίζεται ως εξής:

Εάν χρησιμοποιείται πηνίο με Ν στροφές, τότε η μαγνητική ροπή του θα είναι ίση με:

Η μηχανική ροπή M της δύναμης μαγνητικής αλληλεπίδρασης μπορεί να βρεθεί με βάση τις τιμές της μαγνητικής ροπής Pm και της επαγωγής του μαγνητικού πεδίου B ως εξής:

Ωστόσο, για τη μέτρηση ενός μαγνητικού πεδίου, δεν είναι πάντα βολικό να χρησιμοποιηθούν οι εκδηλώσεις μηχανικής του δύναμης. Ευτυχώς, υπάρχει ένα άλλο φαινόμενο στο οποίο μπορείτε να βασιστείτε. Αυτό είναι το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Ο νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής σε μαθηματική μορφή γράφεται ως εξής:

Έτσι, το μαγνητικό πεδίο εκδηλώνεται ως δυνάμεις ή επαγόμενο EMF. Στην περίπτωση αυτή, η πηγή του ίδιου του μαγνητικού πεδίου, όπως είναι γνωστό, είναι ένα ηλεκτρικό ρεύμα.

Εάν το ρεύμα που δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου είναι γνωστό, τότε μπορεί να βρεθεί η ένταση του μαγνητικού πεδίου σε αυτό το σημείο (σε απόσταση r από το τρέχον στοιχείο). χρησιμοποιώντας το νόμο Biot-Savart-Laplace:

Πρέπει να σημειωθεί ότι η μαγνητική επαγωγή Β στο κενό σχετίζεται με την ένταση του μαγνητικού πεδίου H (που δημιουργείται από το αντίστοιχο ρεύμα) με την ακόλουθη σχέση:

Η μαγνητική σταθερά κενού στο σύστημα SI ορίζεται σε αμπέρ.Για ένα αυθαίρετο μέσο, ​​αυτή η σταθερά είναι ο λόγος της μαγνητικής επαγωγής σε ένα δεδομένο μέσο προς τη μαγνητική επαγωγή στο κενό, και αυτή η σταθερά ονομάζεται μαγνητική διαπερατότητα του μέσου:

Η μαγνητική διαπερατότητα του αέρα πρακτικά συμπίπτει με τη μαγνητική διαπερατότητα του κενού. Επομένως, για τον αέρα, η μαγνητική επαγωγή Β είναι πρακτικά πανομοιότυπη με την τάση του μαγνητικού πεδίου H.

Μονάδα μέτρησης μαγνητικής επαγωγής στη ΒΑ — Tesla [T], στο σύστημα CGS — Gauss [G], και 1 T = 10000 G. Οι συσκευές μέτρησης για τον προσδιορισμό της επαγωγής του μαγνητικού πεδίου ονομάζονται τεσλαμέτρα.

Η ένταση του μαγνητικού πεδίου H μετριέται σε αμπέρ ανά μέτρο (A/m), ενώ το 1 αμπέρ/μέτρο ορίζεται ως η ισχύς μαγνητικού πεδίου μιας ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας απεριόριστου μήκους μοναδιαίας πυκνότητας στροφών όταν ρέει ρεύμα ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας 1 αμπέρ. Ένα αμπέρ ανά μέτρο μπορεί να οριστεί με άλλο τρόπο: είναι η ισχύς του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο ενός κυκλικού κυκλώματος με ρεύμα 1 αμπέρ με διάμετρο βρόχου 1 μέτρο.

Εδώ αξίζει να σημειωθεί μια τέτοια τιμή όπως η μαγνητική ροή επαγωγής — F. Αυτή είναι μια κλιμακωτή ποσότητα, στο σύστημα SI μετριέται σε Webers και στο σύστημα CGS — στο Maxwells, με 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Το Weber είναι μια μαγνητική ροή τέτοιου μεγέθους που όταν μειωθεί στο μηδέν, ένα φορτίο 1 κουλόμπ θα περάσει μέσα από ένα αγώγιμο κύκλωμα με αντίσταση 1 Ohm συνδεδεμένο σε αυτό.

Αν πάρουμε τη μαγνητική ροή F ως αρχική τιμή, τότε η επαγωγή του μαγνητικού πεδίου Β δεν θα είναι τίποτα περισσότερο από την πυκνότητα της μαγνητικής ροής. Οι συσκευές για τη μέτρηση της μαγνητικής ροής ονομάζονται webmeters.

Σημειώσαμε παραπάνω ότι η μαγνητική επαγωγή μπορεί να προσδιοριστεί είτε από τη δύναμη (ή από τη μηχανική ροπή) είτε από το EMF που προκαλείται στο κύκλωμα. Αυτές είναι οι λεγόμενες μετατροπές άμεσης μέτρησης, όπου η μαγνητική ροή ή η μαγνητική επαγωγή εκφράζεται με ένα άλλο φυσικό μέγεθος (δύναμη, φορτίο, ροπή, διαφορά δυναμικού) που σχετίζεται μοναδικά με το μαγνητικό μέγεθος μέσω ενός βασικού φυσικού νόμου.

Οι μετασχηματισμοί όπου η μαγνητική επαγωγή B ή η μαγνητική ροή F διέρχεται από το ρεύμα I ή το μήκος l ή την ακτίνα r ονομάζονται αντίστροφοι μετασχηματισμοί. Τέτοιοι μετασχηματισμοί πραγματοποιούνται με βάση τον νόμο Biot-Savart-Laplace, χρησιμοποιώντας τη γνωστή σχέση μεταξύ της μαγνητικής επαγωγής Β και της ισχύος του μαγνητικού πεδίου H.