Магнитные измерения имеют большое практическое значение для контроля качества магнитных материалов, изготовления магнитных устройств, исследования магнитных свойств веществ, изучения магнитных явлений в природе и технике.
Первые магнитные компасы, указывающие направления на магнитные полюса Земли, появились еще в третьем веке до Нашей эры на территории Китая. Это были приборы в форме круглых разливательных ложек с короткими ручками, изготовленные из магнитного железняка.
Ложку ставили выпуклой частью на гладкую медную или деревянную поверхность, по которой вокруг были нанесены деления с изображениями знаков зодиака, обозначающие стороны света. Чтобы привести компас в действие, ложку слегка подталкивали, и она начинала вращаться. В конце концов, когда ложка останавливалась, ее ручка указывала точно на южный магнитный полюс Земли.
Начиная с двенадцатого века компасы активно начали применяться путешественниками в Европе. Их устанавливали как на сухопутном транспорте, так и на морских судах, с целью определения магнитного склонения.
С конца восемнадцатого века магнитные явления стали объектом пристального внимания и изучения для ученых того времени. Кулон в 1785 году предложил метод количественной оценки напряженности магнитного поля Земли. В 1832 году Гаусс показал возможность определения абсолютного значения напряженности магнитного поля путем более точных измерений.
Связь между магнитными явлениями и силовыми эффектами, наблюдаемыми во время движения электрических зарядов, впервые в 1820 году установил Эрстед. Позже Максвелл запишет эту связь в рациональной форме — в форме математических уравнений (1873 год):
На сегодняшний день для измерения параметров магнитного поля применяется следующая техника:
-
тесламетры — приборы для измерения величин напряженности Н или индукции магнитного поля В;
-
веберметры — приборы для измерения величины магнитного потока Ф;
-
градиентометры — приборы для измерения неоднородностей магнитного поля.
также существуют:
-
приборы для измерения магнитного момента М;
-
приборы для измерения направления вектора В;
-
приборы для измерения магнитных постоянных различных материалов.
Такие приборы называют магнитометрами. Все эти приборы основаны на различных физических явлениях, связанных с магнитным полем, таких как электромагнитная индукция, магниторезистивность, магнитооптика, магнитоэластичность, магнитохимия и др.
Магнитометры могут быть разных типов, в зависимости от физического принципа работы, например, магнитостатические, индукционные, квантовые и т.д.
Они позволяют изучать магнитные свойства различных объектов, таких как земное магнитное поле, магнитные материалы, магнитные наночастицы, магнитные домены, магнитные вихри и др. Они также имеют широкое применение в разных областях науки и техники, таких как метрология, геофизика, астрофизика, биофизика, медицина, электроника, информационные технологии и др.
Вектор магнитной индукции B характеризует интенсивность силового действия со стороны магнитного поля (на полюс или на ток) и поэтому является его главной характеристикой в данной точке пространства.
Таким образом, исследуемое магнитное поле может взаимодействовать силовым образом либо с магнитом, либо с элементом тока, а также способно наводить ЭДС индукции в контуре, если магнитное поле, пронизывающее контур, изменяется с течением времени, либо если контур изменяет сове положение относительно магнитного поля.
На элемент проводника с током длиной dl в магнитном поле с индукцией B будет действовать сила F, величина которой может быть найдена с помощью следующей формулы:
Значит индукция B исследуемого магнитного поля может быть найдена по силе F, которая действует на проводник заданной длины l, с постоянным током известной величины I, помещенный в это магнитное поле.
Практически магнитные измерения удобно проводить, используя величину, называемую магнитным моментом. Магнитный момент Pm характеризует контур площади S с током I, а величина магнитного момента определяется так:
Если используется катушка из N витков, то ее магнитный момент будет равен:
Механический момент M силового магнитного взаимодействия может быть найден исходя из значений магнитного момента Pm и индукции магнитного поля B следующим образом:
Однако для измерения магнитного поля не всегда удобно пользоваться его механическими силовыми проявлениями. Благо, есть еще одно явление, на которое можно опереться. Это явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции в математической форме записывается так:
Итак, магнитное поле проявляет себя силами либо наводимой ЭДС. При этом источником самого магнитного поля, как известно, является электрический ток.
Если ток порождающий магнитное поле в данной точке пространства известен, то напряженность магнитного поля в этой точке (на расстоянии r от элемента тока) можно найти с помощью закона Био-Савара-Лапласа:
Стоит отметить, что магнитная индукция B в вакууме связана с напряженностью магнитного поля H (порожденного соответствующим током) следующим соотношением:
Магнитная постоянная вакуума в системе СИ определяется через ампер. Для произвольной же среды данная константа есть отношение магнитной индукции в данной среде к магнитной индукции в вакууме, и называется эта константа магнитной проницаемостью среды:
Магнитная проницаемость воздуха практически совпадает с магнитной проницаемостью вакуума, поэтому для воздуха магнитная индукция B практически тождественна напряженности магнитного поля H.
Единица измерения магнитной индукции в системе СИ — тесла [Тл], в системе СГС — Гаусс [Гс], причем 1 Тл = 10000 Гс. Измерительные приборы для определения индукции магнитного поля, называются тесламетрами.
Напряженность H магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м), причем 1 ампер/метр задается как напряженность магнитного поля соленоида бесконечной длины с единичной плотностью витков, при протекании по данному соленоиду тока в 1 ампер. Один ампер на метр можно определить и иначе: это напряженность магнитного поля в центре круглого витка с током в 1 ампер при диаметре витка в 1 метр.
Здесь же стоить отметить такую величину как магнитный поток индукции - Ф. Это - скалярная величина, в системе СИ она измеряемая в веберах, а в системе СГС — в максвеллах, причем 1 мкс = 0,00000001 Вб. 1 Вебер — это магнитный поток такой величины, что при убывании его до нуля, по сцепленной с ним проводящей цепи сопротивлением 1 Ом, пройдет заряд в 1 Кулон.
Если принять за исходную величину магнитный поток Ф, то индукция магнитного поля B – это будет не что иное, как плотность магнитного потока. Приборы для измерения магнитного потока называются веберметрами.
Веберметры позволяют определить магнитный поток, протекающий через замкнутый контур, который может быть как проводником, так и воздушным промежутком. Они используются для измерения магнитного потока в катушках, трансформаторах, электродвигателях и других электромагнитных устройствах.
Выше мы отметили, что магнитная индукция может быть определена либо через силу (или через механический момент), либо через наводимую в контуре ЭДС. Это так называемые прямые измерительные преобразования, при которых магнитный поток или магнитная индукция выражаются через другую физическую величину, (силу, заряд, момент, разность потенциалов) которая однозначно связана с магнитной величиной посредством фундаментального физического закона.
Преобразования же, где магнитная индукция B или магнитный поток Ф находятся через ток I либо длину l или радиус r, называются обратными преобразованиями. Такие преобразования выполняются с опорой на закон Био-Савара-Лапласа, с использованием известного соотношения между магнитной индукцией B и напряженностью магнитного поля H.
Обратные преобразования позволяют определить магнитные характеристики различных элементов электрических цепей, таких как катушки индуктивности, соленоиды, тороиды и т.д. Для этого необходимо знать геометрические размеры элемента, число витков и ток, протекающий по нему.
По этим данным можно вычислить магнитный поток, пронизывающий элемент, магнитную индукцию внутри и снаружи элемента, а также коэффициент самоиндукции элемента. Эти величины имеют важное значение для анализа и расчета электрических цепей, содержащих индуктивные элементы.
Прямые и обратные преобразования могут быть объединены в комплексные методы измерения магнитных величин, которые учитывают взаимодействие между различными элементами магнитной системы. Такие методы позволяют определить не только магнитный поток и магнитную индукцию, но и другие параметры, такие как магнитная проницаемость, магнитная восприимчивость, намагниченность, остаточная магнитная индукция и т.д.
Для комплексных методов измерения магнитных величин используются специальные приборы, такие как магнитные балансы, магнитные мосты, магнитные компараторы, магнитные анализаторы и т.д. Эти приборы позволяют сравнивать магнитные величины с эталонными значениями, которые обеспечиваются стандартными образцами или калибровочными катушками.
Магнитные балансы - это приборы, которые измеряют магнитный момент образца, уравновешивая его моментом вспомогательного магнита или силой тяжести.
Магнитные мосты - это приборы, которые измеряют магнитную проницаемость или магнитную восприимчивость образца, сравнивая его сопротивление с сопротивлением эталонного образца или катушки.
Магнитные компараторы - это приборы, которые измеряют магнитную индукцию или магнитный поток образца, сравнивая его с индукцией или потоком эталонного образца или катушки.
Магнитные анализаторы - это приборы, которые измеряют магнитные характеристики образца в зависимости от внешнего поля, температуры, частоты и других факторов.
Градиентометры – это приборы, которые измеряют неоднородности магнитного поля, то есть первые производные от силы тяжести. Они позволяют обнаруживать аномалии гравитационного поля, связанные с различными геологическими структурами, такими как рудные месторождения, карстовые воронки, подземные пещеры и т.д.
Градиентометры могут быть установлены на искусственных спутниках Земли, чтобы получать глобальные модели гравитационного поля. Градиентометры работают по принципу крутильных весов, которые реагируют на изменение силы тяжести в зависимости от расстояния между ними.
Андрей Повный