Zasady pomiaru pól magnetycznych, przyrządy do pomiaru parametrów pola magnetycznego

Pierwsze kompasy magnetyczne wskazujące kierunki biegunów magnetycznych Ziemi pojawiły się w III wieku pne w Chinach. Były to urządzenia w postaci okrągłych kadzi o krótkiej rączce, wykonanych z magnetycznej rudy żelaza.

Łyżkę kładziono wypukłą częścią na gładkiej miedzianej lub drewnianej powierzchni, na której rysowano podziały z wizerunkami znaków zodiaku, wskazując punkty kardynalne. Aby aktywować kompas, łyżka została lekko wciśnięta i zaczęła się obracać. W końcu, kiedy łyżka się zatrzymała, jej rączka była skierowana dokładnie w prawo w kierunku południowego bieguna magnetycznego Ziemi.

Od XII wieku kompasy były aktywnie wykorzystywane przez podróżników w Europie. Zostały one zainstalowane zarówno na lądowych, jak i morskich statkach transportowych w celu określenia odchylenia magnetycznego.

Od końca XVIII wieku zjawiska magnetyczne stały się przedmiotem uważnych badań ówczesnych naukowców. Wisiorek w 1785 roku zaproponował metodę ilościowego określania siły ziemskiego pola magnetycznego. w 1832 rGauss wykazał możliwość określenia wartości bezwzględnej natężenia pola magnetycznego poprzez dokładniejsze pomiary.

Związek między zjawiskami magnetycznymi a efektami sił obserwowanymi podczas ruchu ładunków elektrycznych został po raz pierwszy ustalony w 1820 r. przez Oersteda. Maxwell zapisze później tę relację w postaci racjonalnej: w postaci równań matematycznych (1873):

Do tej pory do pomiaru parametrów pola magnetycznego stosuje się następującą technikę:

• teslametry — urządzenia do pomiaru wartości siły H lub indukcji pola magnetycznego B;

• webmeters — przyrządy do pomiaru wielkości strumienia magnetycznego Ф;

• gradientomierze — urządzenia do pomiaru niejednorodności pola magnetycznego.

istnieją również:

• urządzenia do pomiaru momentu magnetycznego M;

• przyrządy do pomiaru kierunku wektora B;

• przyrządy do pomiaru stałych magnetycznych różnych materiałów.

Wektor indukcji magnetycznej B charakteryzuje intensywność silnego działania bocznego pole magnetyczne (do bieguna lub do prądu) i dlatego jest jego główną cechą charakterystyczną w danym punkcie przestrzeni.

Zatem badane pole magnetyczne może silnie oddziaływać z magnesem lub elementem prądowym, a także może indukować indukcyjną siłę elektromagnetyczną w obwodzie, jeśli pole magnetyczne przenikające przez obwód zmienia się w czasie lub jeśli obwód zmienia położenie względem pole magnetyczne.

Na element przewodzący prąd o długości dl znajdujący się w polu magnetycznym o indukcji B działa siła F, której wartość można obliczyć ze wzoru:

Zatem indukcję B badanego pola magnetycznego można znaleźć na podstawie siły F, która działa na przewodnik o danej długości l, z prądem stałym o znanej wartości I, umieszczonym w tym polu magnetycznym.

W praktyce pomiary magnetyczne są dogodnie wykonywane przy użyciu wielkości zwanej momentem magnetycznym. Moment magnetyczny Pm charakteryzuje kontur obszaru S z prądem I, a wielkość momentu magnetycznego określa się w następujący sposób:

Jeśli użyjemy cewki z N zwojami, to jej moment magnetyczny będzie równy:

Moment mechaniczny M siły oddziaływania magnetycznego można znaleźć na podstawie wartości momentu magnetycznego Pm i indukcji pola magnetycznego B w następujący sposób:

Jednak do pomiaru pola magnetycznego nie zawsze wygodnie jest używać jego przejawów siły mechanicznej. Na szczęście istnieje jeszcze jedno zjawisko, na które można liczyć. Jest to zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Prawo indukcji elektromagnetycznej w formie matematycznej jest zapisane w następujący sposób:

Zatem pole magnetyczne objawia się jako siły lub indukowane pole elektromagnetyczne. W tym przypadku źródłem samego pola magnetycznego, jak wiadomo, jest prąd elektryczny.

Jeżeli znany jest prąd generujący pole magnetyczne w danym punkcie przestrzeni, to można znaleźć natężenie pola magnetycznego w tym punkcie (w odległości r od elementu, z którym płynie prąd) korzystając z prawa Biota-Savarta-Laplace'a:

Należy zauważyć, że indukcja magnetyczna B w próżni jest powiązana z natężeniem pola magnetycznego H (generowanego przez odpowiedni prąd) za pomocą następującej zależności:

Stała magnetyczna próżni w układzie SI jest określana w amperach.Dla dowolnego ośrodka stała ta jest stosunkiem indukcji magnetycznej w danym ośrodku do indukcji magnetycznej w próżni i ta stała nazywa się przenikalność magnetyczna ośrodka:

Przenikalność magnetyczna powietrza praktycznie pokrywa się z przenikalnością magnetyczną próżni; dlatego dla powietrza indukcja magnetyczna B jest praktycznie identyczna z naprężeniem pola magnetycznego H.

Jednostka do pomiaru indukcji magnetycznej w NE — Tesla [T], w układzie CGS — Gauss [G], a 1 T = 10000 G. Przyrządy pomiarowe do wyznaczania indukcji pola magnetycznego nazywane są teslametrami.

Natężenie pola magnetycznego H jest mierzone w amperach na metr (A/m), przy czym 1 amper/metr definiuje się jako natężenie pola magnetycznego solenoidu o nieskończonej długości i jednostkowej gęstości zwojów, gdy przepływa przez niego prąd o natężeniu 1 ampera. Jeden amper na metr można zdefiniować w inny sposób: jest to siła pola magnetycznego w środku obwodu kołowego z prądem 1 ampera o średnicy pętli 1 metra.

Tutaj warto zwrócić uwagę na taką wartość, jak strumień magnetyczny indukcji — F. Jest to wielkość skalarna, w układzie SI mierzona w Webersach, a w układzie CGS — w Maxwellach, gdzie 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber jest strumieniem magnetycznym o takiej wielkości, że gdy spadnie do zera, ładunek o wartości 1 kulomba przejdzie przez obwód przewodzący z podłączonym do niego oporem 1 oma.

Jeśli przyjmiemy strumień magnetyczny F jako wartość początkową, wówczas indukcja pola magnetycznego B będzie niczym innym jak gęstością strumienia magnetycznego. Urządzenia do pomiaru strumienia magnetycznego nazywane są webmeterami.

Zauważyliśmy powyżej, że indukcję magnetyczną można określić na podstawie siły (lub momentu mechanicznego) lub pola elektromagnetycznego indukowanego w obwodzie. Są to tak zwane bezpośrednie przeliczenia pomiarowe, w których strumień magnetyczny lub indukcja magnetyczna jest wyrażona inną wielkością fizyczną (siła, ładunek, moment, różnica potencjałów), która jest jednoznacznie związana z wielkością magnetyczną za pomocą podstawowego prawa fizycznego.

Transformacje, w których indukcja magnetyczna B lub strumień magnetyczny F przechodzi przez prąd I lub długość l lub promień r, nazywane są transformacjami odwrotnymi. Przekształcenia takie przeprowadza się na podstawie prawa Biota-Savarta-Laplace'a, wykorzystując znaną zależność między indukcją magnetyczną B a natężeniem pola magnetycznego H.