Principi merjenja magnetnih polj, instrumenti za merjenje parametrov magnetnih polj

Prvi magnetni kompasi, ki so kazali smeri do zemeljskih magnetnih polov, so se pojavili v tretjem stoletju pred našim štetjem na Kitajskem. To so bile naprave v obliki okroglih zajemalk s kratkim ročajem iz magnetne železove rude.

Žlico so s konveksnim delom položili na gladko bakreno ali leseno površino, na kateri so bile narisane črte s podobami znakov zodiaka, ki označujejo kardinalne točke. Za aktiviranje kompasa smo žlico rahlo pritisnili in začela se je vrteti. Na koncu, ko se je žlica ustavila, je bil njen ročaj ravno prav usmerjen proti južnemu magnetnemu polu Zemlje.

Od dvanajstega stoletja so kompasi aktivno uporabljali popotniki v Evropi. Za ugotavljanje magnetnega odklona so bili nameščeni tako na kopenskem prometu kot na morskih plovilih.

Od konca osemnajstega stoletja so magnetni pojavi postali predmet natančnega preučevanja znanstvenikov tistega časa. Pendant je leta 1785 predlagal metodo za kvantificiranje jakosti zemeljskega magnetnega polja. Leta 1832Gauss je pokazal možnost določanja absolutne vrednosti jakosti magnetnega polja z natančnejšimi meritvami.

Povezavo med magnetnimi pojavi in ​​učinki sil med gibanjem električnih nabojev je leta 1820 prvi ugotovil Oersted. Maxwell bo to razmerje pozneje zapisal v racionalni obliki – v obliki matematičnih enačb (1873):

Do danes se za merjenje parametrov magnetnega polja uporablja naslednja tehnika:

• teslametri - naprave za merjenje vrednosti sile H ali indukcije magnetnega polja B;

• webmetri — instrumenti za merjenje velikosti magnetnega pretoka Ф;

• gradiometri — naprave za merjenje nehomogenosti magnetnega polja.

obstajajo tudi:

• naprave za merjenje magnetnega momenta M;

• instrumenti za merjenje smeri vektorja B;

• instrumenti za merjenje magnetnih konstant različnih materialov.

Vektor magnetne indukcije B označuje intenzivnost močnega stranskega delovanja magnetno polje (na pol ali na tok) in je zato njegova glavna značilnost na dani točki v prostoru.

Tako lahko preučevano magnetno polje močno vpliva bodisi na magnet bodisi na tokovni element in je tudi sposobno inducirati indukcijski EMF v vezju, če se magnetno polje, ki prodira v vezje, sčasoma spremeni ali če vezje spremeni položaj glede na magnetno polje.

Na element, s katerim teče tok dolžine dl v magnetnem polju indukcije B, bo delovala sila F, katere vrednost lahko ugotovimo z naslednjo formulo:

Zato lahko indukcijo B proučevanega magnetnega polja najdemo s silo F, ki deluje na vodnik dane dolžine l z enosmernim tokom znane vrednosti I, ki je postavljen v to magnetno polje.

V praksi se magnetne meritve priročno izvajajo z uporabo količine, imenovane magnetni moment. Magnetni moment Pm označuje konturo območja S s tokom I, velikost magnetnega momenta pa je določena na naslednji način:

Če uporabimo tuljavo z N obrati, bo njen magnetni moment enak:

Mehanski moment M sile magnetne interakcije je mogoče najti na podlagi vrednosti magnetnega momenta Pm in indukcije magnetnega polja B, kot sledi:

Vendar pa za merjenje magnetnega polja ni vedno priročno uporabiti njegove manifestacije mehanske sile. Na srečo obstaja še en pojav, na katerega se lahko zanesete. To je pojav elektromagnetne indukcije. Zakon elektromagnetne indukcije v matematični obliki je zapisan na naslednji način:

Tako se magnetno polje kaže kot sile ali inducirani EMF. V tem primeru je vir samega magnetnega polja, kot je znano, električni tok.

Če je znan tok, ki ustvarja magnetno polje na dani točki v prostoru, potem je mogoče najti jakost magnetnega polja na tej točki (na razdalji r od tokovnega elementa). z uporabo Biot-Savart-Laplaceovega zakona:

Upoštevati je treba, da je magnetna indukcija B v vakuumu povezana z jakostjo magnetnega polja H (ki jo ustvari ustrezni tok) z naslednjim razmerjem:

Vakuumska magnetna konstanta v sistemu SI je definirana v amperih.Za poljubni medij je ta konstanta razmerje med magnetno indukcijo v danem mediju in magnetno indukcijo v vakuumu, to konstanto pa imenujemo magnetna prepustnost medija:

Magnetna prepustnost zraka praktično sovpada z magnetno prepustnostjo vakuuma; zato je za zrak magnetna indukcija B praktično enaka napetosti magnetnega polja H.

Enota za merjenje magnetne indukcije v SV — Tesla [T], v sistemu CGS — Gauss [G] in 1 T = 10000 G. Merilne naprave za določanje indukcije magnetnega polja imenujemo teslametri.

Jakost magnetnega polja H se meri v amperih na meter (A/m), pri čemer je 1 amper/meter definiran kot jakost magnetnega polja neskončno dolgega solenoida z gostoto obratov enote, ko skozi njega teče tok solenoida z močjo 1 ampera. En amper na meter lahko definiramo še drugače: to je jakost magnetnega polja v središču krožnega tokokroga s tokom 1 ampera s premerom zanke 1 meter.

Tukaj je vredno omeniti takšno vrednost, kot je magnetni tok indukcije - F. To je skalarna količina, v sistemu SI se meri v Weberjih, v sistemu CGS pa v Maxwellsih, pri čemer je 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber je magnetni tok takšne velikosti, da bo, ko se zmanjša na nič, 1-kulonski naboj šel skozi prevodno vezje z uporom 1 Ohm, ki je povezano z njim.

Če vzamemo magnetni pretok F kot začetno vrednost, potem bo indukcija magnetnega polja B nič drugega kot gostota magnetnega pretoka. Naprave za merjenje magnetnega pretoka imenujemo webmetri.

Zgoraj smo omenili, da je magnetno indukcijo mogoče določiti s silo (ali z mehanskim momentom) ali z EMF, induciranim v vezju. To so tako imenovane neposredne merske pretvorbe, kjer je magnetni pretok ali magnetna indukcija izražena z drugo fizikalno količino (sila, naboj, moment, potencialna razlika), ki je enolično povezana z magnetno količino s pomočjo osnovnega fizikalnega zakona.

Transformacije, kjer je magnetna indukcija B ali magnetni pretok F skozi tok I ali dolžino l ali polmer r, se imenujejo obratne transformacije. Takšne transformacije se izvajajo na podlagi Biot-Savart-Laplaceovega zakona z uporabo znanega razmerja med magnetno indukcijo B in jakostjo magnetnega polja H.