Magneettikenttien mittausperiaatteet, magneettikentän parametrien mittauslaitteet

Ensimmäiset magneettiset kompassit, jotka osoittavat suunnan Maan magneettinapoihin, ilmestyivät Kiinassa kolmannella vuosisadalla eKr. Nämä olivat laitteita lyhytvartisten pyöreiden kauhojen muodossa, jotka oli valmistettu magneettisesta rautamalmista.

Lusikka asetettiin kuperalla osallaan sileälle kupari- tai puupinnalle, jolle piirrettiin jaot, joissa oli kuvia horoskooppimerkeistä, jotka osoittavat pääpisteet. Kompassin aktivoimiseksi lusikkaa painettiin kevyesti ja se alkoi pyöriä. Lopulta, kun lusikka pysähtyi, sen kahva osui juuri oikeaan kohti maan eteläistä magneettinapaa.

1200-luvulta lähtien matkustajat käyttivät aktiivisesti kompasseja Euroopassa. Ne asennettiin sekä maa- että merialuksiin magneettisen poikkeaman määrittämiseksi.

1700-luvun lopusta lähtien magneettiset ilmiöt tulivat tuon ajan tutkijoiden huolellisen tutkimuksen kohteeksi. Pendant vuonna 1785 ehdotti menetelmää maan magneettikentän voimakkuuden määrittämiseksi. Vuonna 1832Gauss osoitti mahdollisuuden määrittää magneettikentän voimakkuuden absoluuttinen arvo tarkempien mittausten avulla.

Oersted loi ensimmäisen kerran yhteyden magneettisten ilmiöiden ja sähkövarausten liikkeen aikana havaittujen voimavaikutusten välillä vuonna 1820. Maxwell kirjoitti myöhemmin tämän suhteen rationaalisessa muodossa – matemaattisten yhtälöiden muodossa (1873):

Tähän mennessä magneettikentän parametrien mittaamiseen on käytetty seuraavaa tekniikkaa:

• teslametrit - laitteet voiman H tai magneettikentän B induktion arvojen mittaamiseen;

• verkkomittarit — laitteet magneettivuon Ф suuruuden mittaamiseen;

• gradiometrit — laitteet magneettikentän epähomogeenisuuksien mittaamiseen.

olemassa myös:

• laitteet magneettisen momentin M mittaamiseksi;

• laitteet vektorin B suunnan mittaamiseen;

• laitteet eri materiaalien magneettisten vakioiden mittaamiseen.

Magneettinen induktiovektori B luonnehtii voimakkaan sivutoiminnan intensiteettiä magneettikenttä (napaan tai virtaan) ja on siksi sen pääominaisuus tietyssä avaruuden pisteessä.

Siten tutkittava magneettikenttä voi olla voimakkaassa vuorovaikutuksessa joko magneetin tai virtaelementin kanssa, ja se pystyy myös indusoimaan piiriin induktio-EMF:n, jos piiriin tunkeutuva magneettikenttä muuttuu ajan myötä tai jos piirin sijainti muuttuu suhteessa magneettikenttä.

Induktion B magneettikentässä olevaan virtaa kuljettavaan elementtiin, jonka pituus on dl, vaikuttaa voima F, jonka arvo saadaan seuraavalla kaavalla:

Siksi tutkitun magneettikentän induktio B voidaan löytää voiman F avulla, joka vaikuttaa tähän magneettikenttään sijoitetulla voimalla F, joka vaikuttaa tietyn pituiseen l johtimeen tasavirralla, jonka arvo on I.

Käytännössä magneettimittaukset suoritetaan kätevästi käyttämällä suuruutta, jota kutsutaan magneettimomentiksi. Magneettimomentti Pm luonnehtii alueen S ääriviivaa virralla I, ja magneettisen momentin suuruus määritetään seuraavasti:

Jos käytetään kelaa, jossa on N kierrosta, sen magneettinen momentti on yhtä suuri:

Magneettisen vuorovaikutusvoiman mekaaninen momentti M voidaan löytää magneettisen momentin Pm ja magneettikentän induktion B arvojen perusteella seuraavasti:

Magneettikentän mittaamiseen ei kuitenkaan aina ole kätevää käyttää sen mekaanisen voiman ilmentymiä. Onneksi on toinenkin ilmiö, johon voit luottaa. Tämä on sähkömagneettisen induktion ilmiö. Sähkömagneettisen induktion laki matemaattisessa muodossa on kirjoitettu seuraavasti:

Siten magneettikenttä ilmenee voimina tai indusoituneena EMF:nä. Tässä tapauksessa itse magneettikentän lähde, kuten tiedetään, on sähkövirta.

Jos tiedetään magneettikentän muodostava virta tietyssä avaruuden pisteessä, voidaan löytää magneettikentän voimakkuus kyseisessä pisteessä (etäisyydellä r virtaelementistä) Biot-Savart-Laplacen lakia käyttäen:

On huomattava, että magneettinen induktio B tyhjössä liittyy magneettikentän voimakkuuteen H (vastaavan virran synnyttämä) seuraavalla suhteella:

Tyhjiön magneettivakio SI-järjestelmässä määritellään ampeereina.Satunnaiselle väliaineelle tämä vakio on tietyn väliaineen magneettisen induktion suhde magneettiseen induktioon tyhjiössä, ja tätä vakiota kutsutaan ns. väliaineen magneettinen permeabiliteetti:

Ilman magneettinen permeabiliteetti on käytännössä sama kuin tyhjiön magneettinen läpäisevyys; siksi ilmalle magneettinen induktio B on käytännössä identtinen magneettikentän jännityksen H kanssa.

Yksikkö magneettisen induktion mittaamiseen NE — Tesla [T], CGS-järjestelmässä — Gauss [G], ja 1 T = 10000 G. Magneettikentän induktion määrittämiseen tarkoitettuja mittalaitteita kutsutaan teslametreiksi.

Magneettikentän voimakkuus H mitataan ampeereina metriä kohti (A/m), 1 ampeeri/metri määritellään yksikkökierrostiheydeltään äärettömän pituisen solenoidin magneettikentän voimakkuudeksi, kun sen läpi kulkee 1 ampeerin solenoidivirta. Yksi ampeeri metriä kohti voidaan määritellä toisella tavalla: se on magneettikentän voimakkuus pyöreän piirin keskellä, jonka virta on 1 ampeeri ja silmukan halkaisija 1 metri.

Tässä kannattaa huomioida sellainen arvo kuin induktion magneettivuo — F. Tämä on skalaarisuure, SI-järjestelmässä se mitataan Webersissä ja CGS-järjestelmässä — Maxwellsissä, 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber on magneettivuo, jonka suuruus on sellainen, että kun se laskee nollaan, 1 coulombin varaus kulkee siihen kytketyn johtavan piirin läpi, jonka resistanssi on 1 ohm.

Jos otamme magneettivuon F alkuarvoksi, niin magneettikentän induktio B ei ole muuta kuin magneettivuon tiheys. Magneettivuon mittauslaitteita kutsutaan verkkomittareiksi.

Huomasimme edellä, että magneettinen induktio voidaan määrittää joko voimalla (tai mekaanisella momentilla) tai piiriin indusoidulla EMF:llä. Nämä ovat ns. suoria mittausmuunnoksia, joissa magneettivuo eli magneettinen induktio ilmaistaan ​​toisella fysikaalisella suurella (voimalla, varauksella, momentilla, potentiaalierolla), joka on fysikaalisen peruslain avulla yksiselitteisesti suhteessa magneettiseen suureen.

Muunnoksia, joissa magneettinen induktio B tai magneettivuo F kulkee virran I tai pituuden l tai säteen r kautta, kutsutaan käänteismuunnoksiksi. Tällaiset muunnokset suoritetaan Biot-Savart-Laplacen lain perusteella käyttämällä tunnettua suhdetta magneettisen induktion B ja magneettikentän H voimakkuuden välillä.