В чем измеряют магнитное поле

Магнитометры: что это такое, виды, советы по выбору и эксплуатации

Существует большое количество измерительных приборов. Некоторые из них измеряют то, что невозможно увидеть или потрогать руками. Ярким примером таких устройств как раз и является магнитометр.

Что это такое?

Как следует уже из самого названия, магнитометр – это прибор, предназначенный для измерения параметров магнитного поля и магнитных свойств отдельных материалов. В зависимости от того изменения показателей какого рода фиксирует устройство, его могут называть следующими терминами:

• эрстедметр (меряет напряженность поля);
• градиентометр (определяет полевой градиент);
• тесламетр (показывает индукцию);
• веберметр (определяет магнитный поток);
• инклинатор или деклинатор (устанавливает направление поля);
• коэрцитиметр (показывает коэрцитивную силу).

Когда работают мю-метры и каппа-метры, можно выяснить соответственно магнитную проницаемость и магнитную восприимчивость. А также существуют приборы для фиксации магнитного момента. Но есть и более узкое определение магнитометров – это аппараты, замеряющие напряженность, градиент и направление поля. Определение необходимых параметров производится различными способами.

Необходимо учитывать, что одни приборы фиксируют абсолютные значения полевых характеристик, а другие отражают изменение поля с течением времени или в разных точках пространства.

Принцип работы

Схема магнитометра может сильно отличаться, но в любом случае он работает по одной и той же методике. Магнитное поле может быть охарактеризовано следующим:

• вектор напряженности;
• горизонтальная составляющая напряженности;
• магнитное склонение;
• магнитное наклонение.

Но есть еще одна важная характеристика магнитного поля – магнитная индукция. По направлению ее вектора определяется направление силы, воздействующей на северный полюс магнита. Чтобы понять, как все это работает, полезно рассмотреть устройство магнитометрического датчика HMC5883L от Honeywell. Меняющийся коэффициент усиления влияет на восприимчивость датчика. Для считывания данных предусмотрено 12 регистров с разрядностью 8.

Регистр режима задает основной сценарий действия: непрерывное измерение либо разовый замер и переход в режим ожидания. Если запрос идет не программно, а аппаратно, используется дублирование данных через вывод DRDY. Но не все так просто – требуется учитывать не только показания датчиков, но и воздействия на них различных помех.

Если проигнорировать этот момент, может оказаться так, что модуль сбился и измеряет совсем не то, что нужно.

Предположим, требуется произвести измерения удельной намагниченности насыщения. Образец, который нужно исследовать, и постоянный магнит крепятся на тонком стержне, соединенном с вибрационным узлом. Колебания стержня могут происходить с различной частотой, но в любом случае под углом 90 градусов к полю, создаваемому электромагнитом. Радиотехнические компоненты системы призваны усиливать, очищать и эффективно обрабатывать сигнал. Когда постоянный магнит и образец колеблются, появляется электродвижущая сила в особых катушках. Сами катушки позиционируют по отношению к постоянному магниту так, чтобы на их положение не влияли вибрационные колебания.

Но описанное устройство, как нетрудно понять по некоторым моментам, может применяться преимущественно в лабораторных условиях. Возможности его использования «в поле» существенно ограничены. Для полевых измерений предназначены уже совершенно другие магнитометры, которые не требуют изготовления и выделения образцов. Как именно работает такая техника – коммерческая тайна производителей. В любом случае, нужно ли производить измерения остаточной намагниченности или делать что-то еще, важно знать алгоритм калибровки методом наименьших квадратов.

Максимально упрощенно излагая суть этого метода (основанного на высшей математике), можно указать, что он подразумевает подбор функции, дающей значения, максимально близкие к полученным по итогам эксперимента. Сумма квадратов отклонений во всех критических важных точках должна быть как можно меньшей, в идеале – сведенной к нулю. Обязательным условием для применения такого алгоритма является знание вектора магнитного поля земли. Если же вернуться к математической стороне дела, то можно сказать, что тут нужны линейные преобразования матриц в трехмерном пространстве. А отсюда следует, что придется использовать показания по трем осям сразу.

Немного отстранившись от всей этой зауми, можно разобраться, как действует магнитометр на основе тонкопленочных магниторезисторов. Такая техника выпускается ведущими иностранными фирмами. Магниторезисторы обычно размещают на одной кремниевой подложке и соединяют мостовым способом.

Поскольку сопротивление резисторов сложно подогнать при производстве, нельзя игнорировать напряжение смещения. Параметры датчиков очень сильно зависят от фактической температуры.

МАГНИТО́МЕТР

МАГНИТО́МЕТР, при­бор для из­ме­ре­ния ха­рак­те­ри­стик маг­нит­но­го по­ля и маг­нит­ных свойств объ­ек­тов и ма­те­риа­лов. Не­ко­то­рые М. име­ют спец. на­зва­ния в за­ви­си­мо­сти от из­ме­ряе­мой ве­ли­чи­ны: эр­стед­мет­ры из­ме­ря­ют на­пря­жён­ность маг­нит­но­го по­ля, гра­ди­ен­то­мет­ры и ва­рио­мет­ры – из­ме­не­ния на­пря­жён­но­сти в про­стран­ст­ве и вре­ме­ни, инк­ли­на­то­ры и дек­ли­на­то­ры – на­прав­ле­ние век­то­ра на­пря­жён­но­сти, тес­ла­мет­ры – ве­ли­чи­ну маг­нит­ной ин­дук­ции. М. из­ме­ря­ют так­же сле­дую­щие ха­рак­те­ри­сти­ки объ­ек­тов и ма­те­риа­лов: маг­нит­ную про­ни­цае­мость и маг­нит­ную вос­при­им­чи­вость (мю-мет­ры и кап­па-мет­ры), ко­эр­ци­тив­ную си­лу (ко­эр­ци­ти­мет­ры), по­ток маг­нит­ной ин­дук­ции (ве­бер­мет­ры или флюкс­мет­ры), маг­нит­ный мо­мент, кри­вые на­маг­ни­чи­ва­ния, по­те­ри на гис­те­ре­зис и др. Час­то маг­ни­то­мет­рич. дат­чи­ки ис­поль­зу­ют­ся при кос­вен­ных из­ме­ре­ни­ях не­маг­нит­ных ве­ли­чин.

Магнитоэлектрический измерительный прибор

Магнитоэлектри́ческий измери́тельный прибо́р, электроизмерительный прибор, работа которого основана на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и проводника ( катушки ) с током; служит для измерения силы тока , электрического напряжения , сопротивления и др. Наиболее распространены магнитоэлектрические измерительные приборы с подвижной катушкой (рамкой), расположенной в поле неподвижного постоянного магнита. Магнитную цепь образуют постоянный магнит и изготовленные из магнитомягкого материала полюсные наконечники, сердечник и магнитопровод . В воздушном зазоре между сердечником и полюсными наконечниками, где создаётся равномерное радиальное магнитное поле, помещена подвижная катушка прямоугольной формы (рамка), с которой соединена стрелка-указатель. При протекании по виткам катушки тока возникают силы, образующие электрический вращающий момент . Цепь измеряемого тока состоит из обмотки катушки и последовательно соединённых с ней растяжек, которые создают противодействующий механический вращающий момент, пропорциональный углу поворота рамки; неподвижное положение катушки соответствует равенству электрических и механических вращающих моментов. Существуют магнитоэлектрические измерительные приборы, у которых постоянный магнит помещён внутри подвижной катушки, а также магнитоэлектрические измерительные приборы с подвижным магнитом, укреплённым на оси внутри неподвижной катушки. Широкое распространение получили магнитоэлектрические логометры .

Для магнитоэлектрических измерительных приборов характерны: равномерная шкала, высокие точность и чувствительность, малое собственное потребление энергии. Магнитоэлектрические измерительные приборы применяются в цепях постоянного тока в качестве амперметров и вольтметров (основной диапазон измерений от 10 –6 до 10 3 А и от 10 –3 до 10 3 В соответственно), гальванометров – для измерений малых токов (порядка 10 –12 А) и напряжений (10 –9 В), омметров , а также входят в состав выпрямительных, термоэлектрических, электронных аналоговых и других приборов, измеряющих силу переменного тока и напряжение низкой и высокой частоты. Расширения пределов измерений силы тока достигают с помощью шунтов, напряжения – с помощью добавочных резисторов .

Редакция технологий и техники

Опубликовано 30 марта 2023 г. в 09:04 (GMT+3). Последнее обновление 30 марта 2023 г. в 09:04 (GMT+3). Связаться с редакцией

Принципы измерения магнитных полей, приборы для измерения параметров магнитного поля

Первые магнитные компасы, указывающие направления на магнитные полюса Земли, появились еще в третьем веке до Нашей эры на территории Китая. Это были приборы в форме круглых разливательных ложек с короткими ручками, изготовленные из магнитного железняка.

Ложку ставили выпуклой частью на гладкую медную или деревянную поверхность, по которой вокруг были нанесены деления с изображениями знаков зодиака, обозначающие стороны света. Чтобы привести компас в действие, ложку слегка подталкивали, и она начинала вращаться. В конце концов, когда ложка останавливалась, ее ручка указывала точно на южный магнитный полюс Земли.

Начиная с двенадцатого века компасы активно начали применяться путешественниками в Европе. Их устанавливали как на сухопутном транспорте, так и на морских судах, с целью определения магнитного склонения.

С конца восемнадцатого века магнитные явления стали объектом пристального внимания и изучения для ученых того времени. Кулон в 1785 году предложил метод количественной оценки напряженности магнитного поля Земли. В 1832 году Гаусс показал возможность определения абсолютного значения напряженности магнитного поля путем более точных измерений.

Связь между магнитными явлениями и силовыми эффектами, наблюдаемыми во время движения электрических зарядов, впервые в 1820 году установил Эрстед. Позже Максвелл запишет эту связь в рациональной форме — в форме математических уравнений (1873 год):

На сегодняшний день для измерения параметров магнитного поля применяется следующая техника:

• тесламетры — приборы для измерения величин напряженности Н или индукции магнитного поля В;
• веберметры — приборы для измерения величины магнитного потока Ф;
• градиентометры — приборы для измерения неоднородностей магнитного поля.

• приборы для измерения магнитного момента М;
• приборы для измерения направления вектора В;
• приборы для измерения магнитных постоянных различных материалов.

Вектор магнитной индукции B характеризует интенсивность силового действия со стороны магнитного поля (на полюс или на ток) и поэтому является его главной характеристикой в данной точке пространства.

Таким образом, исследуемое магнитное поле может взаимодействовать силовым образом либо с магнитом, либо с элементом тока, а также способно наводить ЭДС индукции в контуре, если магнитное поле, пронизывающее контур, изменяется с течением времени, либо если контур изменяет сове положение относительно магнитного поля.

На элемент проводника с током длиной dl в магнитном поле с индукцией B будет действовать сила F, величина которой может быть найдена с помощью следующей формулы:

Значит индукция B исследуемого магнитного поля может быть найдена по силе F, которая действует на проводник заданной длины l, с постоянным током известной величины I, помещенный в это магнитное поле.

Практически магнитные измерения удобно проводить, используя величину, называемую магнитным моментом. Магнитный момент Pm характеризует контур площади S с током I, а величина магнитного момента определяется так:

Если используется катушка из N витков, то ее магнитный момент будет равен:

Механический момент M силового магнитного взаимодействия может быть найден исходя из значений магнитного момента Pm и индукции магнитного поля B следующим образом:

Однако для измерения магнитного поля не всегда удобно пользоваться его механическими силовыми проявлениями. Благо, есть еще одно явление, на которое можно опереться. Это явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции в математической форме записывается так:

Итак, магнитное поле проявляет себя силами либо наводимой ЭДС. При этом источником самого магнитного поля, как известно, является электрический ток.

Если ток порождающий магнитное поле в данной точке пространства известен, то напряженность магнитного поля в этой точке (на расстоянии r от элемента тока) можно найти с помощью закона Био-Савара-Лапласа:

Стоит отметить, что магнитная индукция B в вакууме связана с напряженностью магнитного поля H (порожденного соответствующим током) следующим соотношением:

Магнитная постоянная вакуума в системе СИ определяется через ампер. Для произвольной же среды данная константа есть отношение магнитной индукции в данной среде к магнитной индукции в вакууме, и называется эта константа магнитной проницаемостью среды:

Магнитная проницаемость воздуха практически совпадает с магнитной проницаемостью вакуума, поэтому для воздуха магнитная индукция B практически тождественна напряженности магнитного поля H.

Единица измерения магнитной индукции в системе СИ — тесла [Тл], в системе СГС — Гаусс [Гс], причем 1 Тл = 10000 Гс. Измерительные приборы для определения индукции магнитного поля, называются тесламетрами.

Напряженность H магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м), причем 1 ампер/метр задается как напряженность магнитного поля соленоида бесконечной длины с единичной плотностью витков, при протекании по данному соленоиду тока в 1 ампер. Один ампер на метр можно определить и иначе: это напряженность магнитного поля в центре круглого витка с током в 1 ампер при диаметре витка в 1 метр.

Здесь же стоить отметить такую величину как магнитный поток индукции — Ф. Это — скалярная величина, в системе СИ она измеряемая в веберах, а в системе СГС — в максвеллах, причем 1 мкс = 0,00000001 Вб. 1 Вебер — это магнитный поток такой величины, что при убывании его до нуля, по сцепленной с ним проводящей цепи сопротивлением 1 Ом, пройдет заряд в 1 Кулон.

Если принять за исходную величину магнитный поток Ф, то индукция магнитного поля B – это будет не что иное, как плотность магнитного потока. Приборы для измерения магнитного потока называются веберметрами.

Выше мы отметили, что магнитная индукция может быть определена либо через силу (или через механический момент), либо через наводимую в контуре ЭДС. Это так называемые прямые измерительные преобразования, при которых магнитный поток или магнитная индукция выражаются через другую физическую величину, (силу, заряд, момент, разность потенциалов) которая однозначно связана с магнитной величиной посредством фундаментального физического закона.

Преобразования же, где магнитная индукция B или магнитный поток Ф находятся через ток I либо длину l или радиус r, называются обратными преобразованиями. Такие преобразования выполняются с опорой на закон Био-Савара-Лапласа, с использованием известного соотношения между магнитной индукцией B и напряженностью магнитного поля H.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика