Principy měření magnetických polí, přístroje pro měření parametrů magnetického pole

První magnetické kompasy udávající směry k magnetickým pólům Země se objevily ve třetím století před naším letopočtem v Číně. Jednalo se o zařízení v podobě kulatých naběraček s krátkou rukojetí z magnetické železné rudy.

Lžíce byla umístěna svou konvexní částí na hladký měděný nebo dřevěný povrch, na kterém byly nakresleny oddíly s obrázky znamení zvěrokruhu, které označovaly světové strany. Pro aktivaci kompasu byla lžička lehce stlačena a začala se otáčet. Nakonec, když se lžíce zastavila, její rukojeť byla namířená tak akorát směrem k jižnímu magnetickému pólu Země.

Od dvanáctého století byly kompasy aktivně používány cestovateli v Evropě. Byly instalovány na pozemních i námořních plavidlech pro stanovení magnetické odchylky.

Od konce osmnáctého století se magnetické jevy staly předmětem pečlivého studia tehdejších vědců. Pendant v roce 1785 navrhl metodu pro kvantifikaci síly magnetického pole Země. V roce 1832Gauss ukázal možnost stanovení absolutní hodnoty intenzity magnetického pole přesnějším měřením.

Souvislost mezi magnetickými jevy a silovými účinky pozorovanými při pohybu elektrických nábojů poprvé prokázal v roce 1820 Oersted. Maxwell později napsal tento vztah v racionální formě – ve formě matematických rovnic (1873):

K dnešnímu dni se k měření parametrů magnetického pole používá následující technika:

• teslametry — zařízení pro měření hodnot síly H nebo indukce magnetického pole B;

• webmetry — přístroje pro měření velikosti magnetického toku Ф;

• gradiometry — přístroje pro měření nehomogenit magnetického pole.

také existují:

• přístroje pro měření magnetického momentu M;

• přístroje pro měření směru vektoru B;

• přístroje pro měření magnetických konstant různých materiálů.

Vektor magnetické indukce B charakterizuje intenzitu silného bočního působení magnetické pole (k pólu nebo k proudu) a je tedy jeho hlavní charakteristikou v daném bodě prostoru.

Zkoumané magnetické pole tedy může silně interagovat buď s magnetem, nebo s proudovým prvkem, a je také schopno indukovat indukční EMF v obvodu, pokud se magnetické pole pronikající obvodem mění v průběhu času nebo pokud obvod mění polohu vzhledem k obvodu. magnetické pole.

Na proudovodný prvek délky dl v magnetickém poli indukce B bude působit síla F, jejíž hodnotu zjistíme pomocí následujícího vzorce:

Indukci B studovaného magnetického pole lze tedy zjistit silou F, která působí na vodič dané délky l stejnosměrným proudem známé hodnoty I, umístěný v tomto magnetickém poli.

V praxi se magnetická měření pohodlně provádějí pomocí veličiny zvané magnetický moment. Magnetický moment Pm charakterizuje obrys oblasti S s proudem I a velikost magnetického momentu se určí následovně:

Pokud se použije cívka s N závity, bude její magnetický moment roven:

Mechanický moment M magnetické interakční síly lze zjistit na základě hodnot magnetického momentu Pm a indukce magnetického pole B takto:

K měření magnetického pole však není vždy vhodné využívat jeho projevy mechanické síly. Naštěstí je tu ještě jeden fenomén, se kterým se můžete spolehnout. Jedná se o jev elektromagnetické indukce. Zákon elektromagnetické indukce v matematické podobě je napsán takto:

Magnetické pole se tedy projevuje jako síly nebo indukované EMP. V tomto případě je zdrojem samotného magnetického pole, jak známo, elektrický proud.

Pokud je znám proud generující magnetické pole v daném bodě prostoru, pak lze zjistit sílu magnetického pole v tomto bodě (ve vzdálenosti r od prvku proudu). pomocí Biot-Savart-Laplaceova zákona:

Je třeba poznamenat, že magnetická indukce B ve vakuu souvisí s intenzitou magnetického pole H (generovaného odpovídajícím proudem) podle následujícího vztahu:

Magnetická konstanta vakua v soustavě SI je definována v ampérech.Pro libovolné prostředí je tato konstanta poměrem magnetické indukce v daném prostředí k magnetické indukci ve vakuu a tato konstanta se nazývá magnetická permeabilita média:

Magnetická permeabilita vzduchu se prakticky shoduje s magnetickou permeabilitou vakua; proto je pro vzduch magnetická indukce B prakticky totožná s namáháním magnetického pole H.

Jednotka pro měření magnetické indukce v NE — Tesla [T], v soustavě CGS — Gauss [G] a 1 T = 10000 G. Měřicí přístroje pro stanovení indukce magnetického pole se nazývají teslametry.

Síla magnetického pole H se měří v ampérech na metr (A/m), přičemž 1 ampér/metr je definován jako síla magnetického pole nekonečného solenoidu o jednotkové hustotě závitu, když jím protéká 1 ampérový solenoidový proud. Jeden ampér na metr lze definovat jiným způsobem: je to síla magnetického pole ve středu kruhového obvodu s proudem 1 ampér s průměrem smyčky 1 metr.

Zde stojí za zmínku taková hodnota, jako je magnetický tok indukce — F. Jedná se o skalární veličinu, v systému SI se měří ve Webers a v systému CGS — v Maxwells, s 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber je magnetický tok takové velikosti, že když klesne na nulu, 1-coulombový náboj projde vodivým obvodem s připojeným odporem 1 Ohm.

Pokud vezmeme magnetický tok F jako počáteční hodnotu, pak indukce magnetického pole B nebude nic jiného než hustota magnetického toku. Zařízení pro měření magnetického toku se nazývají webmetry.

Výše jsme poznamenali, že magnetická indukce může být určena buď silou (nebo mechanickým momentem) nebo EMF indukovaným v obvodu. Jedná se o tzv. převody přímého měření, kdy je magnetický tok nebo magnetická indukce vyjádřena jinou fyzikální veličinou (síla, náboj, moment, rozdíl potenciálů), která s magnetickou veličinou jednoznačně souvisí pomocí základního fyzikálního zákona.

Transformace, kde magnetická indukce B nebo magnetický tok F prochází proudem I nebo délkou l nebo poloměrem r, se nazývají reverzní transformace. Takové transformace se provádějí na základě Biot-Savart-Laplaceova zákona s využitím známého vztahu mezi magnetickou indukcí B a silou magnetického pole H.