Иногда, для решения технических задач или в исследовательских целях, возникает потребность в измерении магнитных величин. Безусловно, значение требуемой магнитной величины можно найти и косвенным путем, прибегнув к формулам с опорой на известные исходные данные. Однако, для получения наиболее точного значения магнитного потока Ф, магнитной индукции B или напряженности магнитного поля H лучше подойдет метод прямого измерения. Давайте же рассмотрим методы прямого измерения магнитных величин.
Принципиально метод измерения магнитной величины может быть основан на действии магнитного поля на ток или на проводник. Сила, вызываемая магнитным полем, связывается с электрическим процессом, и затем, посредством электроизмерительного прибора, получается значение измеряемой величины в удобном для человеческого восприятия виде.
Основных методов измерения магнитных величин два: индукционный и гальваномагнитный.
Первый основан на наведении ЭДС при изменении магнитного потока, второй — на действии магнитного поля на ток. Рассмотрим два этих метода по отдельности.
Метод электромагнитной индукции
Известно, что при пересечении витков катушки L магнитным потоком Ф (при изменении магнитного протока, пронизывающего контур) в проводе катушки индуцируется ЭДС (E), пропорциональная скорости изменения магнитного потока dФ/dt, то есть пропорциональная и его величине Ф. Данное явление описывается формулой:
При однородном магнитном поле магнитный поток Ф будет прямопропорционален магнитной индукции B, а коэффициентом пропорциональности будет площадь контура S, пронизываемого линиями магнитной индукции.
Далее — магнитная индукция B окажется прямопропорциональна напряженности магнитного поля H через магнитную постоянную μ0, если явление происходит в ваккууме, либо с учетом магнитной проницаемости среды — еще и через относительную магнитную проницаемость μ этой среды.
Так, индукционный метод позволяет найти значения: магнитного потока Ф, магнитной индукции B и напряженности магнитного поля H. Приборы для измерения магнитного потока называются веберметрами или флюксметрами (от flux – поток).
Веберметр состоит из индукционной катушки с заранее известными параметрами и интегрирующего устройства ИУ. Интегрирующее устройство представляет собой магнитоэлектрический гальванометр.
Если катушку веберметра вносить или выносить из пространства, где присутствует магнитное поле, то отклонение измерительного механизма веберметра (отклонение стрелки или изменение цифр на дисплее) будет пропорционально индукции B этого магнитного поля. Математическая зависимость легко описывается формулой:
Гальваномагнитный метод (метод Холла)
Общеизвестно, что на проводник с током, находящийся во внешнем магнитном поле, действует сила Ампера, а если рассмотреть процесс более щепетильно, то на движущиеся внутри проводника заряженные частицы действует сила Лоренца.
Так, если проводящую пластину поместить в магнитное поле, и пропустить через пластину постоянный или переменный электрический ток, то на краях пластины возникнет постоянная или переменная разность потенциалов. Эта разность потенциалов Ех называется ЭДС Холла.
Исходя из известных параметров пластины, зная ЭДС Холла, можно определить значение магнитной индукции B. Устройство, предназначенное для измерения магнитной индукции называется тесламетром.
Если преобразователь Холла (датчик Холла) запитать от одного источника, а затем подать компенсирующую разность потенциалов от второго источника, то можно компенсационным методом при помощи сравнивающего устройства определить ЭДС Холла.
Устройство довольно просто: компенсирующее напряжение, снимаемое с регулируемого резистора, подают в противофазе с ЭДС Холла, и так определяют значение ЭДС Холла. Когда компенсационная цепь и датчик Холла питаются от одного источника, то исключается погрешность, могущая возникнуть от нестабильности напряжения и частоты генератора.
Датчики Холла широко применяют в качестве датчиков положения ротора в электродвигателях и в других машинах, где можно получать сигнал от перемещающегося постоянного магнита или от намагничиваемого сердечника трансформатора. В частности, датчик Холла в некоторых применениях выступает своеобразной альтернативой измерительному трансформатору тока.