Принципи мерења магнетних поља, инструменти за мерење параметара магнетног поља

Први магнетни компаси који показују правце до Земљиних магнетних полова појавили су се у трећем веку пре нове ере у Кини. То су биле справе у виду округлих кутлача са кратком ручком од магнетне руде гвожђа.

Кашика је конвексним делом постављена на глатку бакарну или дрвену површину, на којој су уцртане поделе са сликама знакова зодијака, који су означавали кардиналне тачке. Да би се компас активирао, кашика је лагано притиснута и почела је да се окреће. На крају, када се кашика зауставила, њена дршка је била усмерена тачно према јужном магнетном полу земље.

Од дванаестог века путници у Европи су активно користили компасе. Инсталирани су и на копненим и на морским пловилима да би се одредила магнетна девијација.

Од краја осамнаестог века, магнетни феномени су постали предмет пажљивог проучавања научника тог времена. Привезак је 1785. предложио методу за квантификацију јачине Земљиног магнетног поља. Године 1832Гаус је показао могућност одређивања апсолутне вредности јачине магнетног поља прецизнијим мерењима.

Везу између магнетних појава и ефеката силе уочених током кретања електричних наелектрисања први је установио Ерстед 1820. године. Максвел ће касније написати ову релацију у рационалном облику - у облику математичких једначина (1873):

До данас се за мерење параметара магнетног поља користи следећа техника:

• тесламетри — уређаји за мерење вредности силе Х или индукције магнетног поља Б;

• вебметри — инструменти за мерење величине магнетног флукса Ф;

• градиометри — уређаји за мерење нехомогености магнетног поља.

такође постоје:

• уређаји за мерење магнетног момента М;

• инструменти за мерење правца вектора Б;

• инструменти за мерење магнетних константи различитих материјала.

Вектор магнетне индукције Б карактерише интензитет снажног бочног дејства магнетно поље (на пол или на струју) и стога је његова главна карактеристика у датој тачки простора.

Дакле, проучавано магнетно поље може снажно да интерагује са магнетом или са струјним елементом, а такође је способно да индукује индукциони ЕМФ у колу ако се магнетно поље које продире у коло промени током времена или ако коло промени положај у односу на магнетно поље.

На елемент са струјом дужине дл у магнетном пољу индукције Б деловаће сила Ф, чија се вредност може наћи помоћу следеће формуле:

Стога се индукција Б проучаваног магнетног поља може наћи силом Ф, која делује на проводник дате дужине л, са једносмерном струјом познате вредности И, смештен у ово магнетно поље.

У пракси, магнетна мерења се згодно изводе коришћењем величине која се назива магнетни момент. Магнетни момент Пм карактерише контуру области С са струјом И, а величина магнетног момента се одређује на следећи начин:

Ако се користи калем са Н завоја, онда ће његов магнетни момент бити једнак:

Механички момент М силе магнетне интеракције може се наћи на основу вредности магнетног момента Пм и индукције магнетног поља Б на следећи начин:

Међутим, за мерење магнетног поља није увек згодно користити његове манифестације механичке силе. На срећу, постоји још један феномен на који можете рачунати. Ово је феномен електромагнетне индукције. Закон електромагнетне индукције у математичком облику је написан на следећи начин:

Дакле, магнетно поље се манифестује као силе или индукована ЕМФ. У овом случају, извор самог магнетног поља, као што је познато, је електрична струја.

Ако је позната струја која генерише магнетно поље у датој тачки у простору, онда се јачина магнетног поља у тој тачки (на удаљености р од елемента струје) може наћи користећи Биот-Саварт-Лапласов закон:

Треба напоменути да је магнетна индукција Б у вакууму повезана са јачином магнетног поља Х (генерисаном одговарајућом струјом) следећом релацијом:

Магнетна константа вакуума у ​​систему СИ дефинисана је у амперима.За произвољни медијум, ова константа је однос магнетне индукције у датом медијуму и магнетне индукције у вакууму, а ова константа се назива магнетна пермеабилност средине:

Магнетна пермеабилност ваздуха се практично поклапа са магнетном пропусношћу вакуума; стога је за ваздух магнетна индукција Б практично идентична напрезању магнетног поља Х.

Јединица за мерење магнетне индукције у НЕ — Тесла [Т], у систему ЦГС — Гаус [Г], и 1 Т = 10000 Г. Мерни уређаји за одређивање индукције магнетног поља називају се тесламетри.

Јачина магнетног поља Х се мери у амперима по метру (А/м), при чему је 1 ампер/метар дефинисан као јачина магнетног поља соленоида бесконачне дужине јединичне густине окрета када кроз њега тече струја соленоида од 1 ампера. Један ампер по метру може се дефинисати на други начин: то је јачина магнетног поља у центру кружног кола са струјом од 1 ампера са пречником петље од 1 метар.

Овде вреди напоменути такву вредност као што је магнетни флукс индукције — Ф. Ово је скаларна величина, у систему СИ се мери у Веберсу, ау систему ЦГС — у Максвелсу, са 1 μс = 0,00000001 Вб. 1 Вебер је магнетни флукс такве величине да када се смањи на нулу, наелектрисање од 1 кулона ће проћи кроз проводни круг са отпором од 1 Охм који је повезан са њим.

Ако узмемо магнетни флукс Ф као почетну вредност, онда индукција магнетног поља Б неће бити ништа друго до густина магнетног флукса. Уређаји за мерење магнетног флукса називају се вебметри.

Горе смо приметили да се магнетна индукција може одредити или силом (или механичким моментом) или ЕМФ индукованим у колу. То су такозване директне мерне конверзије, где се магнетни флукс или магнетна индукција изражава другом физичком величином (сила, наелектрисање, момент, разлика потенцијала) која је јединствено повезана са магнетном величином помоћу основног физичког закона.

Трансформације где је магнетна индукција Б или магнетни флукс Ф кроз струју И или дужину л или полупречник р називају се реверзне трансформације. Такве трансформације се спроводе на основу Биот-Саварт-Лапласовог закона, користећи познату везу између магнетне индукције Б и јачине магнетног поља Х.