Principes van het meten van magnetische velden, instrumenten voor het meten van magnetische veldparameters

De eerste magnetische kompassen die richtingen naar de magnetische polen van de aarde aangeven, verschenen in de derde eeuw voor Christus in China. Dit waren apparaten in de vorm van ronde pollepels met korte steel gemaakt van magnetisch ijzererts.

De lepel werd met zijn convexe deel op een glad koperen of houten oppervlak geplaatst, waarop delen waren getekend met afbeeldingen van de tekens van de dierenriem, die de windstreken aangaven. Om het kompas te activeren, werd de lepel lichtjes ingedrukt en begon hij te draaien. Uiteindelijk, toen de lepel stopte, was het handvat precies goed gericht richting de magnetische zuidpool van de aarde.

Vanaf de twaalfde eeuw werden kompassen actief gebruikt door reizigers in Europa. Ze werden geïnstalleerd op zowel landtransport- als zeeschepen om de magnetische afwijking te bepalen.

Vanaf het einde van de achttiende eeuw werden magnetische verschijnselen het onderwerp van zorgvuldige studie voor de wetenschappers van die tijd. Pendant stelde in 1785 een methode voor om de sterkte van het magnetische veld van de aarde te kwantificeren. 1832Gauss toonde de mogelijkheid aan om door nauwkeurigere metingen de absolute waarde van de magnetische veldsterkte te bepalen.

Het verband tussen magnetische verschijnselen en krachteffecten waargenomen tijdens de beweging van elektrische ladingen werd voor het eerst vastgesteld in 1820 door Oersted. Maxwell zou deze relatie later in rationele vorm opschrijven: in de vorm van wiskundige vergelijkingen (1873):

Tot op heden wordt de volgende techniek gebruikt om de parameters van het magnetische veld te meten:

• teslameters — apparaten voor het meten van de waarden van de kracht H of de inductie van het magnetische veld B;

• webmeters — instrumenten voor het meten van de grootte van de magnetische flux Ф;

• gradiëntmeters - apparaten voor het meten van magnetische veldinhomogeniteiten.

bestaan ​​ook:

• apparaten voor het meten van het magnetische moment M;

• instrumenten voor het meten van de richting van de vector B;

• instrumenten voor het meten van magnetische constanten van verschillende materialen.

Magnetische inductievector B kenmerkt de intensiteit van de sterke nevenactie magnetisch veld (naar pool of naar stroom) en is daarom het belangrijkste kenmerk op een bepaald punt in de ruimte.

Het bestudeerde magnetische veld kan dus sterk interageren met een magneet of een stroomelement, en is ook in staat een inductie-EMF in het circuit te induceren als het magnetische veld dat het circuit binnendringt in de loop van de tijd verandert of als het circuit van positie verandert ten opzichte van het magnetische veld.

Een stroomvoerend element met lengte dl in een magnetisch veld van inductie B zal worden beïnvloed door een kracht F, waarvan de waarde kan worden gevonden met behulp van de volgende formule:

Daarom kan de inductie B van het bestudeerde magnetische veld worden gevonden door de kracht F, die werkt op een geleider van een bepaalde lengte l, met een gelijkstroom van een bekende waarde I, geplaatst in dit magnetische veld.

In de praktijk worden magnetische metingen handig uitgevoerd met behulp van een grootheid die het magnetische moment wordt genoemd. Het magnetische moment Pm kenmerkt de contour van het gebied S met de stroom I, en de grootte van het magnetische moment wordt als volgt bepaald:

Als een spoel met N windingen wordt gebruikt, is het magnetische moment gelijk aan:

Het mechanische moment M van de magnetische interactiekracht kan als volgt worden gevonden op basis van de waarden van het magnetische moment Pm en de magnetische veldinductie B:

Om een ​​magnetisch veld te meten, is het echter niet altijd handig om de manifestaties van mechanische kracht te gebruiken. Gelukkig is er nog een fenomeen waar je op kunt rekenen. Dit is het fenomeen van elektromagnetische inductie. De wet van elektromagnetische inductie in wiskundige vorm is als volgt geschreven:

Het magnetische veld manifesteert zich dus als krachten of geïnduceerde EMF. In dit geval is de bron van het magnetische veld zelf, zoals bekend, een elektrische stroom.

Als de stroom die het magnetische veld op een bepaald punt in de ruimte genereert bekend is, dan kan de magnetische veldsterkte op dat punt (op een afstand r van het huidige element) worden gevonden volgens de wet van Biot-Savart-Laplace:

Opgemerkt moet worden dat de magnetische inductie B in een vacuüm gerelateerd is aan de magnetische veldsterkte H (gegenereerd door de overeenkomstige stroom) door de volgende relatie:

De magnetische vacuümconstante in het SI-systeem wordt gedefinieerd in ampère.Voor een willekeurig medium is deze constante de verhouding van de magnetische inductie in een bepaald medium tot de magnetische inductie in vacuüm, en deze constante wordt genoemd magnetische permeabiliteit van het medium:

De magnetische permeabiliteit van lucht valt praktisch samen met de magnetische permeabiliteit van vacuüm; daarom is voor lucht de magnetische inductie B praktisch identiek aan de magnetische veldspanning H.

Een eenheid voor het meten van magnetische inductie in NO — Tesla [T], in het CGS-systeem — Gauss [G], en 1 T = 10000 G. Meetinstrumenten voor het bepalen van magnetische veldinductie worden teslameters genoemd.

De magnetische veldsterkte H wordt gemeten in ampère per meter (A/m), waarbij 1 ampère/meter wordt gedefinieerd als de magnetische veldsterkte van een solenoïde van oneindige lengte met een dichtheid van een eenheidsdraaiing wanneer er een solenoïdestroom van 1 ampère doorheen vloeit. Eén ampère per meter kan op een andere manier worden gedefinieerd: het is de sterkte van het magnetische veld in het midden van een cirkelvormig circuit met een stroom van 1 ampère met een lusdiameter van 1 meter.

Hier is het vermeldenswaard een waarde als de magnetische inductieflux - F. Dit is een scalaire grootheid, in het SI-systeem wordt het gemeten in Webers en in het CGS-systeem - in Maxwells, met 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber is een magnetische flux van een zodanige grootte dat wanneer deze tot nul afneemt, een lading van 1 Coulomb door een geleidend circuit met een weerstand van 1 Ohm zal gaan.

Als we de magnetische flux F als beginwaarde nemen, dan zal de magnetische veldinductie B niets meer zijn dan de magnetische fluxdichtheid. Apparaten voor het meten van magnetische flux worden webmeters genoemd.

We hebben hierboven opgemerkt dat de magnetische inductie kan worden bepaald door de kracht (of door het mechanische moment) of door de EMF die in het circuit wordt geïnduceerd. Dit zijn de zogenaamde directe meetconversies, waarbij de magnetische flux of magnetische inductie wordt uitgedrukt door een andere fysieke grootheid (kracht, lading, moment, potentiaalverschil) die uniek gerelateerd is aan de magnetische grootheid door middel van een fysieke basiswet.

Transformaties waarbij de magnetische inductie B of de magnetische flux F door de stroom I of de lengte l of de straal r gaat, worden omgekeerde transformaties genoemd. Dergelijke transformaties worden uitgevoerd op basis van de wet van Biot-Savart-Laplace, gebruikmakend van de bekende relatie tussen de magnetische inductie B en de sterkte van het magnetische veld H.