Principi mjerenja magnetskih polja, instrumenti za mjerenje parametara magnetskih polja

Prvi magnetski kompasi koji su pokazivali smjer prema Zemljinim magnetskim polovima pojavili su se u trećem stoljeću prije Krista u Kini. Bile su to naprave u obliku okruglih kutlača s kratkom drškom od magnetske željezne rude.

Žlica se svojim konveksnim dijelom stavljala na glatku bakrenu ili drvenu površinu, na kojoj su bile iscrtane podjele sa slikama znakova zodijaka, koje su označavale kardinalne točke. Za aktiviranje kompasa, žlica je lagano pritisnuta i počela se okretati. Naposljetku, kad se žlica zaustavila, njezina je drška bila usmjerena točno kako treba prema zemljinom južnom magnetskom polu.

Od dvanaestog stoljeća putnici u Europi aktivno su koristili kompase. Postavljeni su i na kopnena transportna i na morska plovila za određivanje magnetske devijacije.

Od kraja osamnaestog stoljeća magnetske pojave postale su predmetom pažljivog proučavanja tadašnjih znanstvenika. Pendant je 1785. predložio metodu za kvantificiranje jakosti Zemljinog magnetskog polja. Godine 1832Gauss je pokazao mogućnost određivanja apsolutne vrijednosti jakosti magnetskog polja točnijim mjerenjima.

Povezanost između magnetskih pojava i učinaka sila opaženih tijekom kretanja električnih naboja prvi je 1820. godine ustanovio Oersted. Maxwell će kasnije napisati ovu relaciju u racionalnom obliku— u obliku matematičkih jednadžbi (1873):

Do danas se za mjerenje parametara magnetskog polja koristi sljedeća tehnika:

• teslametri - uređaji za mjerenje vrijednosti sile H ili indukcije magnetskog polja B;

• webmetri — instrumenti za mjerenje veličine magnetskog toka F;

• gradiometri — uređaji za mjerenje nehomogenosti magnetskog polja.

također postoje:

• uređaji za mjerenje magnetskog momenta M;

• instrumenti za mjerenje smjera vektora B;

• instrumenti za mjerenje magnetskih konstanti raznih materijala.

Vektor magnetske indukcije B karakterizira intenzitet jakog bočnog djelovanja magnetsko polje (na pol ili na struju) i stoga je njegova glavna karakteristika u određenoj točki prostora.

Stoga, magnetsko polje koje se proučava može snažno djelovati s magnetom ili strujnim elementom, a također je sposobno inducirati indukcijski EMF u krugu ako se magnetsko polje koje prodire u krug mijenja tijekom vremena ili ako krug mijenja položaj u odnosu na magnetsko polje.

Na element kojim teče struja duljine dl u magnetskom polju indukcije B djelovat će sila F čija se vrijednost može pronaći pomoću sljedeće formule:

Prema tome, indukcija B proučavanog magnetskog polja može se pronaći pomoću sile F, koja djeluje na vodič zadane duljine l, s istosmjernom strujom poznate vrijednosti I, smještenom u to magnetsko polje.

U praksi se magnetska mjerenja prikladno izvode pomoću veličine koja se naziva magnetski moment. Magnetski moment Pm karakterizira konturu područja S sa strujom I, a veličina magnetskog momenta određena je na sljedeći način:

Ako se koristi svitak s N zavoja, tada će njegov magnetski moment biti jednak:

Mehanički moment M sile magnetske interakcije može se pronaći na temelju vrijednosti magnetskog momenta Pm i indukcije magnetskog polja B kako slijedi:

Međutim, za mjerenje magnetskog polja nije uvijek prikladno koristiti njegove manifestacije mehaničke sile. Srećom, postoji još jedan fenomen na koji se možete pouzdati. To je fenomen elektromagnetske indukcije. Zakon elektromagnetske indukcije u matematičkom obliku zapisan je na sljedeći način:

Dakle, magnetsko polje se manifestira kao sile ili inducirani EMF. U ovom slučaju, izvor samog magnetskog polja, kao što je poznato, je električna struja.

Ako je poznata struja koja stvara magnetsko polje u danoj točki u prostoru, tada se može pronaći jakost magnetskog polja u toj točki (na udaljenosti r od elementa struje). koristeći Biot-Savart-Laplaceov zakon:

Treba primijetiti da je magnetska indukcija B u vakuumu povezana s jakošću magnetskog polja H (koju stvara odgovarajuća struja) sljedećom relacijom:

Magnetska konstanta vakuuma u SI sustavu definirana je u amperima.Za proizvoljan medij ta je konstanta omjer magnetske indukcije u određenom mediju i magnetske indukcije u vakuumu, a ta se konstanta naziva magnetska permeabilnost medija:

Magnetska propusnost zraka praktički se podudara s magnetskom propusnošću vakuuma; stoga je za zrak magnetska indukcija B praktički identična naponu magnetskog polja H.

Jedinica za mjerenje magnetske indukcije u NE — Tesla [T], u CGS sustavu — Gauss [G], a 1 T = 10000 G. Mjerni uređaji za određivanje indukcije magnetskog polja nazivaju se teslametri.

Jačina magnetskog polja H mjeri se u amperima po metru (A/m), pri čemu je 1 amper/metar definiran kao jakost magnetskog polja solenoida beskonačne duljine jedinične gustoće zavoja kada kroz njega teče struja solenoida od 1 ampera. Jedan amper po metru može se definirati na drugi način: to je jakost magnetskog polja u središtu kružnog kruga sa strujom od 1 ampera s promjerom petlje od 1 metra.

Ovdje je vrijedno napomenuti takvu vrijednost kao što je magnetski tok indukcije - F. Ovo je skalarna veličina, u SI sustavu se mjeri u Webersu, au CGS sustavu - u Maxwellsu, s 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber je magnetski tok takve veličine da će, kada se smanji na nulu, naboj od 1 kulona proći kroz vodljivi krug s otporom od 1 Ohma koji je povezan s njim.

Ako uzmemo magnetski tok F kao početnu vrijednost, tada indukcija magnetskog polja B neće biti ništa više od gustoće magnetskog toka. Uređaji za mjerenje magnetskog toka nazivaju se webmetri.

Gore smo primijetili da se magnetska indukcija može odrediti ili silom (ili mehaničkim momentom) ili EMF-om induciranom u krugu. To su takozvane izravne mjerne pretvorbe, gdje se magnetski tok ili magnetska indukcija izražava drugom fizikalnom veličinom (sila, naboj, moment, razlika potencijala) koja je jedinstveno povezana s magnetskom veličinom pomoću osnovnog fizikalnog zakona.

Transformacije kod kojih je magnetska indukcija B ili magnetski tok F kroz struju I ili duljinu l ili radijus r nazivaju se reverznim transformacijama. Takve se transformacije provode na temelju Biot-Savart-Laplaceovog zakona, koristeći poznati odnos između magnetske indukcije B i jakosti magnetskog polja H.