Физпрактикум / Физпрактикум Для ЭГФ / Измерение магнитного поля Земли 1. Измерение магнитного поля

БЕСПЛАТНО ответим на Ваши вопросы
По лишению прав, ДТП, страховом возмещении, выезде на встречную полосу и пр. Ежедневно с 9.00 до 21.00
Москва и МО +7 (499) 938-51-97
С-Петербург и ЛО +7 (812) 467-32-86
Бесплатный звонок по России 8-800-350-23-69 доб.418

Как определить магнитное поле смартфоном

Автор канала «Atom Duba» показал опыт с железными опилками, чтобы попытаться увидеть и измерить магнитное поле.Вокруг любого магнита есть невидимое поле, которое обычно рисуют линиями, ведущими из одного полюса в другой. Как это увидеть?

Самый простой способ — взять железных опилок. Насыпаем их на стол. Берём магнит. Подносим под столом полюсом вверх. Что видим? Появились ежики из опилок. Двигаем под столом — ежики движутся вместе. На самом деле видим линии магнитного поля, выходящие из одного из полюсов.

Чтобы разглядеть с другого ракурса поле, магнит развернем набок. Попробуем магнитик поменьше и повторим эксперимент. Теперь наблюдаем магнитное поле с другого ракурса. Стрелка компаса поворачивается в ту же сторону, куда показывают железные опилки. Поэтому такими направленными линиями обозначают вектор магнитного поля. В каждой точке пространства направление свое.

Другой вариант этого эксперимента, где возьмем магнит и облепим опилками. В таком варианте эксперимента увидим поле в трехмерном пространстве. До этого видели его проекцию на плоскость, то есть 2D вариант, а сейчас в пространстве из одного полюса выходят линии по кругу в другой.

Кроме этого, магнитное поле бывает разной величины — посильнее или послабее. Сегодня измерить его величину может смартфон. Включаем программу, которая показывает информацию с датчиков.

Внутри смартфона датчики Холла измеряют магнитное поле вдоль трех координат X,Y, и Z. Можно поднести магнит и посмотреть, как растут показания. Отводим обратно — они уменьшаются. Или повертеть магнитом, стрелочка тоже будет крутиться. Интересно, а почему опилки выстроились вдоль линий?

Чтобы прояснить этот вопрос, возьмем магнит. Это его северный полюс, а это южный полюс. Если поднести к нему монетку, то она прилипнет. Почему? Монетка намагнитилась и прилипла к северному полюсу своим южным. Возьмем вторую монетку. Она прилипает к первой. Можно так дальше продолжать. Они к друг другу липнут. Как такое получается? Дело в том, что кроме того, что монетки взаимодействуют с самим магнитом, они еще и сами на магнитились и взаимодействуют друг с другом. Тоже самое происходит с опилками. Они просто липнут к полюсам друг друга.

izobreteniya.net

Измерение магнитного поля Земли 1

Лабораторная работа №15

Измерение магнитного поля Земли

  1. Конфигурация геомагнитного поля

В существовании магнитного поля Земли можно убедиться, взглянув на стрелку компаса. Свободно вращающаяся на вертикальной оси намагниченная стрелка в любой точке земной поверхности становится в определенном направлении, которое в большинстве районов близко к направлению географического меридиана. Конец стрелки, направленный к северу, называют, естественно, северным, а противоположный – южным. Соответственно называются и концы (полюсы) всех магнитов. Линии магнитной индукции в пространстве вне магнита принято считать направленными от северного полюса магнита к южному. Сближая два линейных магнита, легко обнаружить, что они стремятся развернуться противоположными полюсами друг к другу, при этом линии магнитной индукции замыкаются по кратчайшему пути - от северного полюса одного магнита к южному другого. То же происходит и со стрелкой компаса вблизи Земли – северный конец стрелки (северный полюс) притягивается к южному полюсу земного магнита. Таким образом, с точки зрения физики северный магнитный полюс расположен на юге и наоборот. Однако обычно под северным магнитным полюсом Земли подразумевают тот, который расположен на севере и т.п. Это не приводит к путанице, если нет необходимости выяснять направление вектора магнитной индукции.

В общих чертах картина магнитного поля Земли выглядит так, будто внутри неё есть огромный (по некоторым оценкам около 2000 км длиной) линейный магнит. Ось этого магнита наклонена под углом 11,5° к оси вращения Земли, поэтому координаты северного магнитного полюса - 79°с.ш. и 71°з.д., а южного - 75°ю.ш. и 120°в.д. (см. примечание 1). При этом центр магнита отстоит от центра Земли на расстояние около 400 км.

Описанное выше магнитное поле называют основным (или дипольным) магнитным полем. Его величина на поверхности Земли вблизи полюсов равна примерно 5·10-5Тл, а у экватора ≈ 3·10-5Тл. На это глобальное поле наложены несколько так называемых мировых аномалий (самые крупные - Бразильская, Сибирская, Канадская) размером порядка 104км, поле в которых отличается от основного на величину до 1·10-5Тл. Сумму дипольного и недипольного (поля мировых аномалий) называют главным магнитным полем. Кроме мировых аномалий, в распределении геомагнитного поля на поверхности наблюдаются местные аномалии, связанные с намагниченностью горных пород, слагающих земную кору. Размеры этих аномалий лежат в пределах от единиц до сотен километров, отклонения поля в них имеют порядок 10-7 Тл, но в отдельных исключительных случаях достигают 10-5 Тл (например, Курская магнитная аномалия).

Наблюдения показывают, что магнитное поле не является постоянным в течение года. Основной вклад в сезонные изменения магнитного поля (суточные, месячные и полугодовые) вносят изменения электрических токов в верхних слоях атмосферы , однако амплитуда этих изменений составляет лишь доли процента. Среднее значение магнитного поля за длительный промежуток времени – это относительно устойчивая величина и называется она постоянным магнитным полем. Разность же между значениями наблюдений и среднегодовым значением принято называть переменным магнитным полем или полем вариаций. Таким образом, наблюдаемое магнитное поле является суммой двух полей – постоянного и переменного.

Постоянное поле, однако, тоже меняется со временем, но на гораздо больших промежутках. Так дипольное магнитное поле испытывает изменения с периодами в 10…20, 60…100, 600…1200 и 8000 лет (так называемые вековые вариации). Амплитуда таких вариаций достигает десятков нТл/год

Вековые вариации свойственны также и недипольной составляющей геомагнитного поля. За последнее столетие дипольное поле уменьшалось примерно на 0,04% в год. Относительная величина годового изменения недипольного поля в среднем больше, но меняется от региона к региону, где напряженность поля может как увеличиваться, так и уменьшаться.

В результате вековых вариаций геомагнитные полюса также двигаются вокруг географических с периодом около 1200 лет, а мировые аномалии смещаются, распадаются и возникают вновь.

  1. Элементы земного магнетизма

Изложенное в разделе 1 позволяет заключить, что стрелка компаса показывает направление не на географический, а на магнитный полюс. Угол D между этими двумя направлениями называют магнитным склонением (Declination). Можно сказать, что магнитным склонением называется угол между плоскостями географического и магнитного меридианов. Этот угол отсчитывается от северного направления к восточному.

Если магнитную стрелку свободно подвесить за центр тяжести, то она не только повернётся так, что её концы будут показывать на магнитные полюса. Она ещё и расположится под углом к горизонту. Этот угол обозначают буквой I и называют магнитным наклонением (Inclination). Другими словами, магнитным наклонением I называется угол между горизонтальной плоскостью и вектором , т.е. наклон вектора индукции магнитного поля Земли к горизонту. Этот угол отсчитывается от горизонта вниз.

Фактически свободная стрелка показывает направление вектора , и это направление описывается двумя углами: с плоскостью меридиана и с плоскостью горизонта. Для полного задания вектора магнитной индукции осталось добавить его длину (модуль) В (или проекцию на любое фиксированное направление, неперпендикулярное вектору). Этих трёх величин достаточно для описания магнитного поля в данной точке.

Однако можно выбрать и другие три величины, например, вместо наклонения и модуля вектора взять горизонтальную Вh и вертикальную Вv компоненты индукции. Вкупе со склонением этот набор опять даёт нам полную картину.

Второй набор (D, Вh, Вv) соответствует выбору локальной системы цилиндрических координат с осями, направленными в зенит и на север. А если в первом взять Вv (проекцию на вертикальное направление) вместо B - (D, I, Вv), получим набор координат в локальной сферической системе с аналогичными осями. Можно также выбрать локальные декартовы координаты, например, Вv, ВN, ВE.

В конце концов, можно воспользоваться глобальными координатами (с началом отсчёта в центре Земли). Так спутники, производящие магнитные измерения в околоземном пространстве, используют глобальную сферическую систему координат с осями, направленными на север и на нулевой меридиан (соответственно набор компонент вектора магнитной индукции Вv, Вθ, Вϕ).

Все вышеупомянутые величины называют элементами земного магнетизма. Рис. 1 поясняет выбор этих элементов.

studfiles.net

Измерение - магнитные поля - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Измерение - магнитные поля

Cтраница 1

Измерение магнитных полей в диапазоне от тысячных долей эрстеда до десятков эрстед применяется при магнитной дефектоскопии, магнитной разведке, физико-химическом анализе, обнаружении металлов и во многих других областях науки и техники. В брошюре приведены схемы приборов для магнитных измерений при помощи датчиков различных типов.  [1]

Измерение магнитных полей или магнитных потоков, выполняемое с помощью гальванометров или флюксметров.  [2]

Измерения магнитных полей постоянного тока проводились прибором милливеберметром типа М 119, к которому подключался датчик, представляющий катушку.  [3]

Для измерения магнитных полей на поверхности образцов иногда применяют катушки с двойной обмоткой. Катушка должна охватывать образец так, чтобы первый ряд ее обмотки как можно ближе примыкал к поверхности образца.  [4]

Для измерения магнитных полей в диапазоне от единиц до десятков тл часто используется эффект Гаусса в проводниках, например в медной проволоке. Достоинствами зонда из поликристаллической меди являются хорошие механические свойства и линейная зависимость сопротивления от индукции магнитного поля. Для уменьшения квадратичного участка характеристики сопротивления применяют медь высокой чистоты.  [5]

Для измерения магнитных полей этих составляющих изготовляются специальные приборы с диапазоном частот 10, 20 и 50 кгц. Согласно рис. 3 - 67 оба конца импульсного генератора включаются на поврежденные жилы. Напряжение испытательной установки поднимается до пробоя разрядника, обеспечивая посылку в линию импульсов.  [7]

Для измерения магнитных полей ампула с веществом, содержащим протоны ( обычно с водой), вставляется внутрь катушки и вместе с последней помещается в исследуемое магнитное поле. Катушка питается от высокочастотного генератора, частоту которого можно менять. Для измерения более слабых полей, ( однородных и неоднородных) предложен другой метод [97], также основанный на явлении магнитного резонанса протонов, который пригоден для работы в интервале напряженностей от десятых долей до сотен эрстед.  [8]

Для измерения магнитных полей порядка 800 а / м и ниже можно применить метод электронного парамагнитного резонанса [48, 81], где в качестве образца применяется дифенилпикрилгидразил.  [9]

При измерении очень малых магнитных полей, таких как земное поле, требуется еще большее усиление. Применяя магнитный концентратор, стержни которого имеют длину порядка 20 см каждый, можно получить усиление магнитного поля в 400 раз.  [10]

Обычно для измерения магнитных полей используется принцип генератора, когда измеряется напряжение, индуцированное в проводнике, движущемся в магнитном поле.  [11]

Магнитные измерения охватывают измерения магнитных полей, плотность которых колеблется в пределах от 10 4 до 107 а / м ( от 10 - 10 до 10 вб.  [12]

Датчик Холла для измерения магнитных полей представляет собой пластину из полупроводниковых материалов, к торцам которой подключены четыре электрода: два точечных и два плоских, с контактами по длине торца. Плоские электроды служат для подвода к датчику напряжения от источника тока. Под действием этого напряжения по пластине датчика протекает ток.  [14]

В других методах измерения магнитных полей используется изменение электрических свойств некоторых веществ под действием магнитного поля. Наиболее часто используют эффект Холла) в германии и гальваномагнитный эффект в висмуте.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

Измерения параметров магнитных полей

Под параметрами магнитного поля принято понимать скалярные, векторные и тензорные величины, характеризующие магнитное поле и инвариантные относительно системы координат. К ним относятся магнитный поток, вектор магнитной индукции, вектор напряженности магнитного поля, градиент вектора магнитной индукции (тензор), градиент модуля магнитной индукции (вектор) и др. Обычно непосредственно измеряемыми параметрами магнитного поля являются скалярные величины: магнитный поток, модуль вектора магнитной индукции или его составляющие, производные этих величин, функционально связанные с указанными векторными и тензорными величинами и дающие возможность определить топографию и степень неоднородности магнитного поля, а также характер его изменения во времени.

Измерения параметров магнитного поля являются основой всех магнитных измерений, поскольку на них базируются все остальные виды магнитных измерений: измерения магнитных параметров и характеристик материалов, веществ и изделий, магнитные измерения в научных исследованиях и др. Примерами важных научных и народнохозяйственных проблем, решаемых с помощью магнитных измерений, являются: исследование строения вещества и микрочастиц, теория магнетизма и физики твердого тела, изучение ближнего и дальнего космоса, разработка термоядерных источников энергии, ускорительной техники, магнитогидродинамических и криогенных генераторов, высокоскоростного наземного транспорта на магнитной подушке, поиск полезных ископаемых, создание ферромагнитных материалов и веществ с наперед заданными свойствами, воздушная и морская навигация, методы диагностики в технике и медицине и др.

Современная практика, включая уникальные научные исследования, требует измерения параметров постоянных магнитных полей с индукцией от 10-16 Тл (магнитный вакуум) до 30 Тл, переменных – от 10-15 Тл до нескольких тесла в диапазоне частот от долей герц до десятков мегагерц, импульсных – с индукцией от 10-15 Тл до сотен тесла при длительности импульсов от единиц наносекунд до нескольких секунд. Магнитный поток необходимо измерять от тысячных долей кванта магнитного потока до десятков вебер. В ряде случаев измерения необходимо производить при сверхнизких или сверхвысоких температурах, в космическом пространстве, при низких и высоких давлениях и в других экстремальных условиях.

Разнообразны требования к точности измерения магнитных величин. При определении значений физических констант, в метрологической практике и в спектроскопии ЯМР необходимо стабилизировать и измерять магнитную индукцию с погрешностью 10-8 – 10-6. При исследовании устройств ускорительной техники и различных систем с постоянными магнитами погрешности не должны превышать 10-6 – 10-3. Погрешности измерений магнитного потока находятся в пределах 10-5 – 10-1. Повышаются требования и к точности измерения дифференциальных параметров магнитного поля, определение которых необходимо при исследовании топографии полей различных электрофизических устройств, в навигации, а также при решении обратной задачи магнитометрии – обнаружения и описания источников магнитного поля и залежей полезных ископаемых.

Большинство методов измерений параметров магнитного поля базируется на двух основных проявлениях магнитного поля: силовом (энергетическом) взаимодействии магнитного поля с макро- или микроскопическими токами и электромагнитной индукции.

Квантовые магниторезонансные методы с оптической накачкой атомов

Квантовые магниторезонансные методы основаны на явлении магнитного резонанса, заключающегося в резонансном поглощении и излучении энергии высокой частоты атомными частицами в результате магнитных дипольных переходов между энергетическими подуровнями, создаваемыми постоянным магнитным полем. Магнитные подуровни могут создаваться как внешними магнитными полями, так и магнитными моментами микрочастиц. Например, взаимодействие магнитных моментов электронной оболочки и ядра атома вызывает расщепление энергетических уровней атома и соответствующих спектральных линий, называемое сверхтонкой структурой энергетического спектра атома. Переходы между уровнями сверхтонкой структуры используются, в частности, для создания квантовых стандартов частоты, лазеров и высокочувствительных тесламеров с оптической накачкой.

Магнитный резонанс может наблюдаться в макроскопическом количестве вещества, атомные частицы которого имеют механический (спин) и магнитный моменты. С позиций классической механики такие частицы прецессируют в постоянном магнитном поле аналогично прецессии гироскопа в гравитационном поле. Термин «резонанс» здесь означает, что при наблюдении данного явления производится настройка на собственную частоту квантовой системы, равную частоте прецессии магнитных частиц в постоянном магнитном поле, определяемой уравнением Лармора: ω=γВ, где γ – гиромагнитное отношение, равное отношению магнитного момента частицы к её механическому моменту количества движения.

В зависимости от вида резонирующих частиц существует несколько разновидностей магнитного резонанса: ядерный, электронный, парамагнитный, ферромагнитный, антиферромагнитный и др. Ядерный резонанс обусловлен ядерными диполями, другие – электронными диполями. Электронный парамагнитный резонанс можно наблюдать в веществах, атомы или молекулы которых имеют неспаренные электроны. Ферро- и антиферромагнитные резонансы имеют место в веществах, в которых электронные диполи связаны обменными силами в доменные структуры.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это наиболее точный метод измерений магнитной индукции постоянных и медленно изменяющихся магнитных полей, поскольку гиромагнитное отношение атомного ядра (например, ядра водорода – протона), определяющее функциональную связь между магнитной индукцией и частотой, является фундаментальной физической константой.

Рис. 2-64

Измерительный преобразователь ЯМР обычно состоит из одной или двух обмоток и рабочего вещества, содержащего атомные ядра, обладающие магнитным моментом. Рабочее вещество может находиться внутри цилиндрической, прямоугольной или тороидальной обмотки (рис. 2-64, а), или, наоборот, обмотка может быть помещена внутри рабочего вещества (рис. 2-64, б и в). В последнем случае увеличивается коэффициент заполнения преобразователя, пропорциональный объему рабочего вещества, находящегося в высокочастотном поле, создаваемом обмоткой. Для защиты от внешних помех преобразователь ЯМР обычно помещается в экран. В преобразователях ЯМР наиболее часто используется жидкое диамагнитное вещество, содержащее атомные ядра с отличным от нуля магнитным моментом. Последний равен нулю только у атомных ядер, состоящих из четного числа протонов и четного числа нейтронов. В постоянном магнитном поле атомные ядра, обладающие магнитным моментом, занимают определенные энергетические уровни, число которых равно 2I+1.

Электрофизические методы измерения линейных и угловых размеров

Электрофизические методы измерений основаны на использовании отличия физических свойств веществ, находящихся на разных сторонах границ, определяющих измеряемый размер. Для измерения линейных и угловых размеров используются методы и приборы, основанные на различии тепловых, электрических, магнитных, механических (плотность, вязкость) и других свойств веществ или их сочетаний.

Электромагнитные методы. Основаны на сочетании электрических и магнитных свойств. Наиболее распространенными из них являются вихретоковый и резонансный методы.

Вихретоковый метод, широко применяемый для измерения толщины тонких листовых изделий и покрытий, основан на зависимости глубины проникновения электромагнитных колебаний в материал от его магнитной проницаемости, удельной электропроводимости и частоты колебаний.

Вихретоковый толщиномер обычно состоит из индуктивного вихретокового преобразователя и измерительной цепи для определения активного и реактивного сопротивлений датчика.

Резонансный метод измерений линейных размеров основан на зависимости частоты собственных колебаний объемного электромагнитного резонатора (эндовибратора) от размеров его полости и от диэлектрической и магнитной проницаемости заполняющего его диэлектрика. Этот метод главным образом используется для измерения уровня (объема) диэлектрических веществ в металлических резервуарах.

Тепловой (термокондуктометрический) метод. Этот метод измерения размеров основан на отличии тепловых свойств веществ, образующих границы измеряемого размера. Метод главным образом применяется для измерения уровня жидких веществ, а также для обнаружения и определения дислокации различных объектов по их тепловому излучению. Принцип действия тепловых уровнемеров основан на различии коэффициентов теплоотдачи от твердого тела к жидкости, газу или к пару.

Обычно тепловой уровнемер содержит проволочный терморезистор из материала с большим температурным коэффициентом электрического сопротивления (платина, медь, нержавеющая сталь), длина которого соответствует максимальной высоте измеряемого уровня. Терморезистор выполняется в виде тонкой проволоки, натянутой по оси трубки с отверстиями, обеспечивающими хорошее омывание терморезистора и демпфирование колебаний измеряемого уровня.

Для уменьшения погрешностей от изменения температуры и теплопроводности жидкости применяется терморезистор, находящийся у дна резервуара и постоянно погруженный в жидкость. Постоянная времени такого уровнемера определяется теплоемкостью терморезистора, скоростью отрыва жидкости от проволоки и интенсивностью ее испарения, которая зависит от температуры проволоки над уровнем жидкости. Обычно в уровнемерах с терморезистивными преобразователями используются мостовые измерительные цепи. Погрешности таких уровнемеров 0,5 – 1,5 %. Применяя измерительные цепи с обратной связью, можно уменьшить абсолютную погрешность измерения уровня до 5 – 10 мм, поддерживая постоянным сопротивление терморезистора путем изменения проходящего через него тока.

Принцип действия уровнемера основан на различии коэффициентов теплоотдачи от твердого тела к газу и жидкости. Поскольку теплоотдача от трубы к жидкости больше, чем к газу, температура части трубы, находящейся в газе, всегда больше, чем в жидкости, даже если температуры газа и жидкости равны. Вследствие этого в месте перехода трубы из жидкости в газ имеет место скачок температуры, определяемый при помощи дискретной шкалы термопар, по которой фиксируется положение измеряемого уровня.

Рассматриваемый уровнемер можно использовать для измерения уровня кипящих жидкостей, в которых пузырьки газа или пара неопределенной формы распределены по всему объему и отсутствует четкая граница между жидкостью и газом. Этот метод также пригоден для измерения уровня при высоких температурах, давлениях или повышенной радиации, т.е. при таких условиях, когда применение электромеханических или других методов не обеспечивает необходимой точности измерения или вообще невозможно.

Электрокондуктометрический метод. Этот метод измерения линейных размеров основан на использовании различия между удельной электропроводимостью сред, находящихся на разных сторонах границ, определяющих измеряемый размер. Метод используется для измерения уровней электропроводящих жидких веществ, углов поворота различных объектов, а также для определения толщины электропроводящих объектов при одностороннем доступе к ним (стенка корпуса корабля, металлические покрытия на неэлектропроводящих основаниях и др.).

При измерении уровня в резервуар помещается резистор из проволоки с высоким удельным сопротивлением, длина которого соответствует измеряемому изменению уровня. Конструктивно электрокондуктометрический уровнемер аналогичен тепловому. По мере снижения уровня уменьшается шунтирующее действие электропроводящей жидкости и соответственно возрастает сопротивление резистора. Этим же методом измеряется угол поворота или угол отклонения от вертикального направления с применением дифференциальных электролитических резистивных преобразователей.

Емкостный метод. Основан на отличии диэлектрической проницаемости сред, находящихся на разных сторонах границ, определяющих измеряемый размер, широко используется для измерения уровней жидких и сыпучих веществ, границы раздела жидкость – жидкость, а также для измерения толщины диэлектрических пленок и листовых материалов в процессе их непрерывного производства. Основные типы емкостных датчиков и применяемые измерительные цепи рассмотрены в работе.

Магнитный метод. Применяется главным образом для измерения толщины ферромагнитных объектов, немагнитных покрытий на ферромагнитном основании при одностороннем доступе к измеряемому размеру. Также широко используется в дефектоскопии для обнаружения и локализации дефектов (трещины, раковины и др.).

studfiles.net

РАБОТА № 8 ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПОСТОЯННОГО МАГНИТА — КиберПедия

Цель работы: измерить величину магнитного поля постоянного магнита
Приборы и принадлежности: постоянный магнит кольцевой формы, измеритель величины магнитного поля (тесламетр), линейка.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ОПИСАНИЕ ПРИБОРА

Известно, что круговой виток радиуса R, по которому течет ток I, создает на своей оси на расстоянии x от центра магнитное поле с индукцией

(1)

Это соотношение можно записать в другом виде, обозначив через m магнитный момент контура m=pR2I:

(2).

Если теперь рассмотреть вместо кругового витка с током короткий постоянный цилиндрический магнит радиуса R, магнитный момент которого равен m, то поле, созданное этим магнитом, будет определяться тем же соотношением (2). Но для постоянного магнита

m = J×V (3),

Рис. 1

где J и V – намагниченность и, соответственно, объем магнита. Таким образом, измерив магнитное поле на оси магнита, мы можем определить его намагниченность J.

В данной работе применяется магнит, имеющий форму кольца. Кольцо намагничено в направлении оси магнита (перпендикулярно его плоскости). Таким образом, магнитный момент кольца имеет направление, совпадающее с направлением оси этого кольца. Магнитное поле такого магнита эквивалентно полю двух витков, токи которых имеют противоположные направления, а радиусы совпадают с внутренним и, соответственно, внешним радиусами этого кольца (см. Рис. 1).

В соответствии с формулой (2), поле кольцевого магнита описывается формулой:

(4)

В центре магнита (х = 0) поле, согласно (4), равно:

С удалением от центра, по мере увеличения х, поле убывает, но не монотонно. Действительно, найдём точку, где поле обращается в ноль:

Решение этого уравнения легко находится:

 

На расстояниях от центра магнита, превышающих найденное значение, знак поля изменится на противоположный, как это изображено на Рис. 2 (по осям координат отложены значения В и x в некоторых условных масштабах):

Рис. 2

Введём новые величины y=x/b и r = a/b, тогда (4) запишется в виде:

(5)

На больших расстояниях от кольца, когда x>>a, формула (4) упрощается:

Здесь, аналогично (2), m=p(a2–b2)hJ – магнитный момент кольца.

Наиболее простой способ измерения магнитного поля – измерение его с помощью датчика магнитного поля, работа которого основана на эффекте Холла (см. Приложение). Напряжение, снимаемое с датчика пропорционально величине индукции поля в точке, где находится датчик.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Измерьте размеры магнита и запишите их перед таблицей.

2. Установите датчик в центре магнита, расположив его параллельно плоскости магнита. Запишите показания датчика в таблицу.

3. Передвиньте датчик, не меняя его ориентации, вдоль оси магнита на расстояние 1 – 2 мм от центра. Запишите показания датчика, расстояние его от центра магнита в таблицу.

4. Повторите эти действия, увеличивая последовательно расстояние между датчиком и магнитом каждый раз на 1 – 2 мм, пока не достигнете расстояния х = 50 мм.

5. Постройте по данным таблицы на миллиметровке или с помощью MS Excel график, откладывая по оси абсцисс расстояние х, а по оси ординат величину индукции магнитного поля В.

6. По формуле (5) с помощью полученных вами данных, определите намагниченность J магнита.

 

Таблица

а = ________(см), b = ________(см), r = ________, h =_________( см)

x (cм) y y2 y2+r2 B (мТл) т J
           
         
         
         

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6. Что называется индукцией магнитного поля?

7. Как связаны между собой индукция, напряженность и намагниченность в веществе?

8. Дайте определение вектора магнитного момента контура с током. Каково направление вектора магнитного момента?

9. Выведите формулы (1) – (4).

10. Найдите силу взаимодействия двух коротких постоянных магнитов, зная их магнитные моменты. Магниты расположены на большом, по сравнению с их размерами, расстоянии, их магнитные моменты ориентированы вдоль прямой, на которой расположены магниты.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Эффект Холла

Рис. П1

Рассмотрим проводник в форме прямоугольной пластинки, в которой течёт ток плотностью j. (рис. П1). Эквипотенциальными поверхностями внутри такой пластинки будут плоскости, перпендикулярные к направлению тока, и поэтому разность потенциалов между двумя металлическими зондами 1 и 2, лежащими в одной из этих плоскостей, будет равна нулю. Если, однако, создать в образце магнитное поле, перпендикулярное к току и к зондам, то между зондами возникает разность потенциалов, указывающая на то, что при наличии магнитного поля эквипотенциальные плоскости в пластинке становятся наклонными. В возникновении этой поперечной разности потенциалов и заключается эффект Холла.

Опыт показывает, что поперечная разность потенциалов U в слабых магнитных полях пропорциональна магнитной индукции В,она пропорциональна также плотности тока j и расстоянию между зондами d:

U=RdjB,

где R — постоянная, зависящая от рода вещества. Она получила название постоянной Холла.

Эффект Холла просто объясняется электронной теорией иявляется следствием существования силы Лоренца. Чтобы выяснить физическую сущность этого явления, мы ограничимся только упрощенной его теорией и будем приближенно считать, что все электроны движутся с постоянной скоростью, равной средней скорости их упорядоченного движения u.

Тогда на каждый электрон действует сила, перпендикулярная к направлению тока и к магнитному полю и равная euB. Под действием этой силы электроны будут смещаться, так что одна из граней пластинки зарядится отрицательно, а другая — положительно, и внутри пластинки возникнет поперечное (к току и к магнитному полю) электрическое поле Е. При равновесии euB = еЕ. Поэтому поперечная разность потенциалов равна

U = Ed = uBd.

В этом уравнении среднюю скорость электронов u можно выразить через плотность тока j, так как j = neu и поэтому

Постоянная Холла оказывается равной

Она зависит от концентрации электронов п,и поэтому, измеряя постоянную Холла, можно определить концентрацию электронов внутри проводника.

Легко также видеть, что знак поперечной разности потенциалов зависит от знака заряда подвижных частиц, обусловливающих электропроводность. Действительно, пусть в проводящей пластинке ток течет слева направо (рис. П2). Если подвижные частицы в проводнике несут положительный заряд, то скорость этих частиц имеет то же направление, что и ток, и при указанном направлении магнитного поля отклоняющая сила будет направлена снизу вверх (Рис. П2 а). В этом случае верхняя грань пластинки будет заряжаться положительно, а нижняя — отрицательно. Если же частицы заряжены отрицательно, то их скорость направлена противоположно току (Рис. П2 б). Так как отклоняющая сила зависит и от заряда частиц, и от их скорости, то еенаправление не изменится, и поэтому заряженные частицы будут также накапливаться у верхней грани. Однако так как частицы заряжены отрицательно, верхняя грань в этом случае будет заряжаться отрицательно, а нижняя — положительно, т.е. эффект Холла будет иметь обратный знак.

 

а) б)

Рис. П2

Концентрация носителей заряда п в металлах имеет порядок концентрации атомов (~1022 см–3), поэтому эффект Холла в металлах очень слаб. Совершенно иной масштаб эффекта наблюдается в полупроводниках, где концентрация носителей заряда на несколько порядков ниже, а постоянная Холла, соответственно выше, чем в металлах. Поэтому в детекторах магнитного поля на основе эффекта Холла используются именно полупроводники.

Описанная здесь картина, однако, в действительности сложнее, чем это может показаться на первый взгляд. Причина усложнений заключается в том, что изложенная выше простая теория эффекта Холла основана на классической электронной теории, имеющей ограниченную применимость для металлов. Более того, для некоторых веществ наблюдается обратный знак эффекта Холла, т.е. соответствующий движению положительных носителей заряда, в то время как в действительности и в этих проводниках носителями заряда являются отрицательные электроны. Это явление объясняется современной квантовой теорией твердых тел и связано с существованием так называемых положительных дырок.

 

 

cyberpedia.su

Способ измерения постоянного магнитного поля

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой способ измерения напряжённости постоянного магнитного поля. Способ заключается в том, что конденсатор, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, помещают в измеряемое постоянное магнитное поле, прикладывают заданное переменное магнитное поле и измеряют разность соседних амплитуд выходного гармонического сигнала, которая равна произведению напряжённости постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности постоянного магнитного поля.

Для измерения напряженности постоянного магнитного поля в настоящее время используются несколько способов [см. Электрические измерения. Средства и методы измерений. Под ред. Е.Г.Шрамкова. -М., Высшая школа, 1972, 520 с.] основными из которых являются следующие:

1 - магнитометрический способ, основанный на действии магнитного поля на магнитную стрелку;

2 - способ, основанный на измерении эдс, возникающей в результате явления электромагнитной индукции. К этому способу относится баллистический способ, основанный на измерении заряда, индуктируемого в магнитной катушке при изменении пронизывающего ее магнитного потока;

3 - пондеромоторный способ, основанный на измерении силы, действующей на образец в неоднородном магнитном поле;

4 - способ, основанный на измерении эдс Холла, возникающей в результате эффекта Холла.

Способ, основанный на действии магнитного поля на магнитную стрелку, прост в исполнении, однако имеет большую погрешность.

Способ, основанный на измерении эдс, возникающей в результате электромагнитной индукции, связан с необходимостью вращать либо передвигать контур и также имеет небольшую чувствительность.

Способ, основанный на измерении эдс Холла, имеет максимальную чувствительность до 1 мВ/Э [см. Бараночников М.Л. Микромагнетоэлектроника. -М.: ДМК Пресс, 2001, 554 с.] и основан на измерении постоянного сигнала, что значительно понижает его помехоустойчивость.

Известен также способ [см. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. Физика и применение. -М.: Мир, 1984, 639 с.], основанный на измерении разности фаз, возникающей при прохождении электронов через сверхпроводящее кольцо с двумя переходами Джозефсона в магнитном поле. Этот способ имеет максимальную чувствительность, однако его применение связано с использованием веществ, находящихся в сверхпроводящем состоянии, что значительно осложняет его использование при проведении измерений.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является способ измерения магнитного поля, основанный на измерении напряжения, возникающего на обкладках конденсатора, диэлектриком которого является магнитоэлектрический материал, при подаче на подмагничивающую катушку импульса тока [см. Патент RU №2244318, G01R 33/02, 10.01.2005].

Недостатком данного способа является использование при измерениях большого импульса тока, вследствие чего необходимо обеспечить хороший теплообмен с подложкой.

Задача изобретения - упростить способ, повысить чувствительность и помехоустойчивость измерений напряженности постоянного магнитного поля при обычных температурах.

Для решения данной задачи предложен способ измерения постоянного магнитного поля путем измерения переменного напряжения, возникающего на обкладках конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, при помещении его в переменное и постоянное магнитное поле, причем измеряют разность двух соседних максимумов гармонического сигнала, величина которой равна произведению напряженности постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры.

При помещении конденсатора в магнитное поле в магнитострикционной фазе композита возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, в результате чего на обкладках конденсатора возникает разность потенциалов. Поскольку магнитострикция является квадратичным по намагниченности эффектом [Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. -М: Наука, 1987, 160 с.], то в области, далекой от насыщения, величина механических напряжений пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля. Вследствие этого, возникающее на обкладках конденсатора электрическое поле также будет пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Это приводит к тому, что при помещении конденсатора в переменное магнитное поле с частотой ω на обкладках конденсатора возникает электрическое напряжение с удвоенной частотой.

Используя уравнения движения среды и материальные уравнения, можно показать [Филиппов Д.А. Теория магнитоэлектрического эффекта в гетерогенных структурах на основе ферромагнетик-пьезоэлектрик // ФТТ, 2005, т.47, №6, с.1082-1084], что величина разности потенциалов U, возникающей на обкладках конденсатора, определяется выражением:

U=YpdpεΔDYmtmYmtm+Yptptp(H)2,                                             (1)

здесь H - напряженность магнитного поля, tm, tp - толщина магнитострикционного и пьезоэлектрического слоя, Ym, Yp - модули Юнга магнитной и пьезоэлектрической фаз соответственно, d - пьезоэлектрический модуль, pε - диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика, g=δ2λ/(δH)2 - магнитострикционный коэффициент, λ - магнитострикционная деформация, ΔD=l−Kp2(YmtmYmtm+Yptp) - безразмерный параметр, Kp2=Ypd2/pε - квадрат коэффициента электромеханической связи.

На фиг.1 представлены осциллограммы входного напряжения (1) на катушках Гельмгольца, создающих переменное магнитное поле, и выходного напряжения (2) на обкладках конденсатора. Как видно из фиг.1, частота выходного напряжения равна удвоенной частоте входного напряжения.

Если магнитное поле представляет сумму двух полей, переменного H(t)=Hmcos(ωt) и постоянного величиной H0, то амплитуда выходного сигнала на конденсаторе будет пропорциональна квадрату результирующего поля, т.е. пропорциональна величине (Hmcos(ωt)+Н0)2, т.е.

U(t)=C⋅(Hmcos(ωt)+H0)2,                                              (2)

где C=Ypd31g331pεzzΔDYmtmYmtm+Yptptp - постоянная величина, зависящая от магнитострикционных, пьезоэлектрических и упругих свойств структуры.

В результате выходной сигнал будет представлять сумму двух сигналов:

U(t)=U1(t)+U2(t),                                                                     (3)

где U1(t)=С ( H m cos (ωt))2 - переменный сигнал с удвоенной частотой, U2(t)=С·Umcos(ωt) - переменный сигнал с обычной частотой ω.

Разность двух соседних амплитудных значений сигнала будет в этом случае пропорциональна величине постоянного магнитного поля, т.е.

ΔUm=2C HmH0                                                                  (4)

Используя формулу (4, для величины постоянного магнитного поля получим выражение

ΔUm=k*H0,                                                                              (5)

где чувствительность k=2CHm.

На фиг.2а представлена осциллограмма выходного напряжения на обкладках конденсатора при помещении его в переменное магнитное поле с частотой ω и постоянное магнитное поле напряженностью H0. Рядом, для сравнения, на фиг.2б представлен график функции f(x)=cos(2х)+0.5*cos(x).

Разность величины сигнала в двух соседних максимумах будет пропорциональна величине напряженности постоянного магнитного поля.

В таблице 1 представлены результаты измерения разности амплитудных значений напряжения двух соседних максимумов в зависимости от величины постоянного магнитного поля при различных значениях напряженности переменного магнитного поля Hm. В качестве диэлектрика конденсатора использовалась структура пермендюр-цирконат-титанат-свинца-пермендюр. Образцы имели прямоугольную форму. Длина образца 20 мм, ширина 5 мм, толщина пьезоэлектрика - 0,35 мм и толщина одной пластины пермендюра - 0,175 мм.

На фиг.3 представлены графики полученных зависимостей разности амплитудных значений напряжения ΔU от величины постоянного магнитного поля H0 при различных значениях амплитуды переменного магнитного поля Hm·1-Hm=10Э, 2-Hm=20Э, 3-Hm=30Э, 4-Hm=40Э.

Как следует из данных, представленных в таблице 1 и графиков, представленных на фиг.3, в полном соответствии с формулой (4), наблюдается линейная зависимость разности амплитудных значений напряжения между соседними максимумами при различных значениях амплитуды переменного магнитного поля. Чувствительность способа зависит от величины напряженности переменного магнитного поля, возрастая с ее величиной. Для данных значений магнитного поля она достигает величины 10 мВ/Э при амплитудных значениях напряженности переменного магнитного поля 40Э, что превосходит чувствительность датчиков Холла.

Перед проведением измерений сначала производят калибровку структуры, определяя ее чувствительность. Для этого измеряют разность амплитудных значений напряжения при помещении конденсатора в переменное и постоянное магнитные поля известной величины и определяют величину С. Затем, зная чувствительность прибора, производят измерение разности потенциалов и по формуле (5) определяют величину постоянного магнитного поля.

Особо следует отметить, что поскольку оба сигнала (с одинарной и удвоенной частотой) формируются от одного источника, то разность фаз между ними остается постоянной, что позволяет суммировать разность амплитудных значений в течение некоторого отрезка времени, что значительно повышает чувствительность способа.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить чувствительность измерений и улучшить помехоустойчивость при измерении.

Таблица 1
Напряженность постоянного поля H0, Э Разность амплитудных значений напряжения ΔU, мВ при напряженности переменного поля
Hm=10Э Hm=20Э Hm=30Э Hm=40Э
0 0 0 0 0
0.34 0.6 1.38 2.0 3.33
0.68 1.15 2.75 4.25 6.66
1.03 1.75 4.0 6.75 10.0
1.71 2.9 6.63 11.25 16.7
2.39 4.2 9.13 16.0 24.4
3.42 6.25 13.25 23.0 34.4
5.13 9.13 20.0 34.0 51.4

Способ измерения постоянного магнитного поля путем измерения переменного напряжения, возникающего на обкладках конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, при помещении его в переменное и постоянное магнитное поле, отличающийся тем, что измеряется разность двух соседних максимумов гармонического сигнала, величина которой равна произведению напряженности постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры.

www.findpatent.ru

Принципиальные методы измерения напряженности и индукции магнитного поля в магнетиках

Непосредственное измерение магнитной индукции с помощью витка с током

Изменение индукции магнитного поля наиболее просто можно провести, используя закон электромагнитной индукции Фарадея. Проводник в виде небольшой плоской петли, замыкают на гальванометр, ориентируют в плоскости, которая перпендикулярна $\overrightarrow{B}$, потом проводник поворачивают на 900 вокруг оси, которая лежит в этой плоскости. Через гальванометр пойдет импульс тока. По этому импульсу определяют среднюю магнитную индукцию в поля в области петли. Можно не поворачивать рамку, а выключить магнитное поле.

Принципиальные методы измерения напряженности и индукции

Непосредственное измерение магнитного поля в веществе с помощью рамки с током (пробного витка) возможно не всегда. Так как, например, в твердое вещество пробный виток не поместишь. Но даже, если бы это было возможно не совсем ясно, как по силе, действующей на виток и ее моменту найти векторы $\overrightarrow{B\ }и\ \overrightarrow{H}$.

Существование граничных условий:

нормальные составляющие вектора индукции непрерывны при переходе границы магнетика и в отсутствии токов проводимости непрерывны тангенциальные составляющие вектора напряженности на границе раздела магнетика:

указывает принципиальный метод измерения магнитного поля в веществе.

Для измерения $\overrightarrow{B\ }и\ \overrightarrow{H}$ в веществе следует сделать полость и измерить вектор магнитной индукции в ней. Однако надо понимать, что результат будет зависеть от формы полости.

Рассмотрим два наиболее часто используемые метода.

  1. В магнетике делают бесконечно узкий канал, который параллелен магнитному полю. Считают, что удаление вещества в таком случае чрезвычайно мало изменят магнитное поле в окружающем магнетике. Так как мы имеем граничное условие (2), то напряженность магнитного поля в канале и окружающем магнетике одинаковы. Пробный виток помещается в канал, там измеряется величина магнитной индукции. Так как в канале магнетика нет, $\mu =1$, следовательно,
  2. \[\overrightarrow{B}={\mu }_0\overrightarrow{H}\left(3\right).\]
  3. В магнетике делают щель, которая ограничена двумя бесконечно близкими плоскостями, которые перпендикулярны магнитному полю. Опять-таки, удаление вещества из такой щели не существенно скажется на магнитном поле в окружающем магнетике. В силу граничного условия (1) векторы магнитной индукции в щели и в окружающем магнетике одинаковы. Измеряется величина $\overrightarrow{B}\ $в щели, следовательно, мы узнаем магнитную индукцию в веществе.

Пример 1

Задание: Лабораторный магнит состоит их железного сердечника, на котором находятся катушки с током (I). Сердечник имеет узкий воздушный зазор (длина его равна $l_v$). Линии магнитной индукции сосредоточены в основном внутри сердечника. Вектор магнитной индукции пересекает границу воздушный зазор -- сердечник по нормали к поверхности раздела. Чему равна магнитная индукция в зазоре электромагнита? Число витков с током равно N.

Рис. 1

Решение:

Согласно граничному условию:

\[B_{1n}=B_{2n}\left(1.1\right)\]

магнитная индукция в зазоре и железном сердечнике одинакова по модулю. Используем теорему о циркуляции вектора напряженности ($\overrightarrow{H}$). В качестве контура возьмем контур, который проходит по оси сердечника. Будем считать, что напряженность в железе везде одна и равна:

\[H_{Fe}=\frac{B}{{\mu }_0{\mu }_{Fe}}\ \left(1.2\right).\]

В воздухе напряженность равна:

\[H_v=\frac{B}{{\mu }_0{\mu }_v}\ \left(1.3\right).\]

Циркуляция вектора напряженности может быть записана как:

\[H_{Fe}l_{Fe}+H_vl_v=NI\ \left(1.4\right),\]

где $l_{Fe}$ -- длина контура в железном сердечнике, $l_v$ -- длина контура в воздухе, $N$ -- суммарное число витков в катушке, I -- сила тока в катушке. Подставим (1.2) и (1.3) в (1.4), получим:

\[\frac{B}{{\mu }_0{\mu }_{Fe}}l_{Fe}+\frac{B}{{\mu }_0{\mu }_v}l_v=NI\ \left(1.5\right).\]

Выразим из (1.5) магнитную индукцию, имеем:

\[B={\mu }_0I\frac{N}{\frac{l_v}{{\mu }_v}+\frac{l_{Fe}}{{\mu }_{Fe}}}\approx {\mu }_0I\frac{N}{l_v+\frac{l_{Fe}}{{\mu }_{Fe}}}(1.6).\]

${\mu }_v\approx 1$. Магнитная проницаемость железа (${\mu }_{Fe}$) весьма велика, порядка, несколько тысяч, поэтому часто отношением $\frac{l_{Fe}}{{\mu }_{Fe}}\ll 1$ пренебрегают, тогда формула (1.6) приобретет вид:

\[B={\mu }_0I\frac{N}{l_v}.\]

Ответ: $B={\mu }_0I\frac{N}{l_v}.$

Определение

Постоянные магниты -- магнетики, вектор намагниченности ($\overrightarrow{J}$) которых почти не изменяется при внесении магнита во внешнее не очень сильное магнитное поле.

На этом основывается метод Гаусса для измерения напряженности магнитного поля. Берется магнит, который имеет форму прямого стержня, намагничен он параллельно оси. В однородном магнитном поле с индукцией $\overrightarrow{B}$ на стержень действует вращающий момент ($\overrightarrow{M}$), равный:

\[\overrightarrow{M}=\left[\overrightarrow{P_m}\overrightarrow{B}\right]\ \left(2.1\right),\]

где $P_m$ -- магнитный момент стержня. Если магнитный стержень может вращаться вокруг своего центра масс, то под действием вращающего момента он установится вдоль вектора поля ($\overrightarrow{B}$). Если вывести слегка стержень из положения равновесия, то возникнут колебания и их период (T) равен:

\[T=2\pi \sqrt{\frac{\theta }{\overrightarrow{P_m}\overrightarrow{B}}}\left(2.2\right),\]

где $\theta $ -- момент инерции стержня.

Закрепим магнит-стержень перпендикулярно к магнитному полю $\overrightarrow{B}$, поместим вдали от стержня маленькую магнитную стрелку. Стержень-магнит можно считать магнитным диполем, для магнитного поля $B_1$ стержня в месте нахождения стрелки можно записать:

\[B_1=\frac{2P_m}{r^3}\ \left(2.3\right),\]

где r -- расстояние между центрами стрелки и стержня. Поле направлено вдоль оси магнита -- стержня, то есть перпендикулярно к измеряемому полю. Под воздействием $\overrightarrow{B_1}$ и $\overrightarrow{B}$ стрелка установится под некоторым углом $\alpha $ к полю $\overrightarrow{B}$, который определен как:

\[tg\alpha =\frac{B_1}{B}=\frac{2P_m}{Br^3}\left(2.4\right).\]

Измеряя угол $\alpha $ и время T, вычисляют индукцию поля и магнитный момент стрежня.

Данный метод применяется для измерения магнитного поля Земли.

spravochnick.ru



О сайте

Онлайн-журнал "Автобайки" - первое на постсоветском пространстве издание, призванное осветить проблемы радовых автолюбителей с привлечение экспертов в области автомобилестроения, автоюристов, автомехаников. Вопросы и пожелания о работе сайта принимаются по адресу: Онлайн-журнал "Автобайки"