Определение уровня напряженности магнитного поля расчетным путем производится, как правило, только на стадии проектирования установок, являющихся источниками магнитного поля. Во всех остальных случаях, таких как: ввод в эксплуатацию новых установок, изменение их конструкции, организация новых рабочих мест и т.д., необходимо проводить экспериментальную проверку.

Контроль уровней постоянного магнитного поля должен производиться путем измерения значений магнитной индукции или напряженности магнитного поля на постоянных рабочих местах персонала или в случае отсутствия постоянного рабочего места в нескольких точках рабочей зоны, расположенных на разных расстояниях от источника поля при всех режимах работы источника или только при максимальном режиме. При гигиенической оценке уровней постоянного магнитного поля на рабочем месте определяющим является наибольшее из всех зарегистрированных значений.

Измерения постоянного магнитного поля следует проводить на рабочих местах и в точках рабочей зоны, расположенных на минимальном расстоянии от источника, в которых находится обслуживающий персонал, на трех уровнях от поверхности поля: 0.5; 1.0 и 1.7 м (рабочая поза «стоя») и 0.5; 0.8 и 1.4 м (рабочая поза «сидя»).

При локальном воздействии постоянного магнитного поля измерения проводятся на уровне конечных фаланг пальцев кистей, середины предплечья, середины плеча. Определяющим значением измеряемых величин является их наибольшее значение.

В случае, когда при выполнении технологических операций возникает необходимость непосредственного контакта рук человека с поверхностью источника (поверхностью постоянного магнита), измерения должны проводиться путем также непосредственного контакта датчика прибора с поверхностью источника.

Контроль уровней магнитного поля промышленной частоты проводится при соблюдении тех же условий, что и при контроле электрического поля частотой 50 Гц.

Измерение напряженности (индукции) магнитного поля должно производиться на всех рабочих местах обслуживающего электроустановки персонала, в местах прохода людей (вблизи экранированных токопроводов, под шинными мостами и т.п.), а также в производственных помещениях с постоянным пребыванием персонала, которые расположены на расстоянии менее 20 м от токоведущих частей электроустановок.

Измерения должны производиться на рабочих местах на высоте 0.5; 1.5 и 1.8 м от поверхности земли (пола). При нахождении источника магнитного поля под рабочим местом измерения должны проводиться также на уровне пола помещения, земли. Определяющим является наибольшее зарегистрированное значение.

Не допускается проведение измерений при наличии осадков, температуре и влажности, выходящих за предельные рабочие параметры средств измерений.

Измерение напряженности магнитного поля (или магнитной индукции) производится с помощью специальных приборов. Выбор того или иного прибора зависит от уровня измеряемого поля, от частоты, от места и от цели, с которой производится измерение. Однако во всех случаях приборы должны обеспечивать погрешность измерения не более ±10 %.

Рекомендуется использовать приборы с трехкоординатным индукционным датчиком, обеспечивающим автоматическое измерение максимального модуля напряженности магнитного поля при любой ориентации датчика в пространстве.

Приведем характеристики некоторых приборов, применяемых для измерения уровней магнитных полей.

Миллитесламетр портативный универсальный ТП-2У предназначен для измерения магнитной индукции постоянных, переменных и импульсных магнитных полей. Прибор имеет диапазон измерений от 0.01 до 1999 мТл. При измерении амплитудного значения магнитной индукции переменного магнитного поля частота поля может изменяться от 0.2 до 2000 Гц.

Миллитесламетр портативный модульный трехкомпонентный МПМ-2 предназначен для измерения модуля и трех взаимно-перпендикулярных составляющих B X , B Y , B Z вектора магнитной индукции постоянных и переменных магнитных полей в диапазоне от 0.01 до 199.9 мТл. Удобен при контроле магнитных полей на рабочих местах, в помещениях и в полевых условиях. При измерении магнитной индукции переменного поля частота поля может изменяться от 40 до 200 Гц.

Измеритель переменного магнитного поля ИМП-0.4 имеет две полосы частотного диапазона. В полосе 1 частота сигнала может изменяться от 5 до 2000 Гц, а уровень измеряемой индукции от 200 до 5000 нТл. Полоса 2 имеет частотный диапазон от 2 до 400 кГЦ и уровень измеряемой индукции от 10 до 1000 нТл.

Измеритель переменного магнитного поля ИМП-0.5 состоит из двух блоков ИМП-0.5/1 и ИМП-0.5/2. Первый блок имеет диапазон частот от 5 до 2000 Гц и диапазон измерения от 100 до 2000 нТл. Второй блок имеет диапазон частот от 2 до 400 кГц и диапазон измерения от 10 до 200 нТл.

Приборы ИМП-04 и ИМП-05 предназначены для измерения среднеквадратических значений магнитной индукции низкочастотных магнитных полей вблизи различных технических средств, в том числе компьютеров, при их сертификации, при контроле норм в области охраны природы, а также при аттестации рабочих мест по условиям труда в соответствии с санитарными нормами (СанПиН 2.2.542-96 ).

Измеритель параметров электромагнитного поля промышленной частоты ЭМППЧ-метр предназначен для измерения среднеквадратического значения напряженности электрического и магнитного полей промышленной частоты (50 Гц) в жилых и рабочих помещениях при наличии в них электрооборудования силового, хозяйственного, коммутационного и информационного назначения, а также при проведении комплексного санитарно-гигиенического обследования территорий.

Прибор обеспечивает измерение полей, возбуждаемых промышленными электроустановками, электросетевым оборудованием, медицинской и бытовой электроаппаратурой в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.002-84 , МСанПиН 001-96 , СанПиН 2.1.2.1002-00 .

Прибор имеет диапазон измерения напряженности магнитного поля от 10 до 10000 А/м.

Измеритель напряженности поля промышленной частоты ПЗ-50 предназначен для измерения напряженности электрического и магнитного полей промышленной частоты (50 Гц) и применяется для контроля ПДУ электрического и магнитного поля согласно ГОСТ 12.1.002-84 . Прибор имеет диапазон измерения напряженности магнитного поля от 0.01 до 20000 А/м.

Анализатор переменного магнитного поля типа EFA-1 имеет трехкоординатный датчик, встроенный в корпус прибора и позволяющий автоматически определять максимальный модуль индукции магнитного поля при любом положении в данной точке пространства. Прибор имеет встроенный частотомер и позволяет проводить измерения индукции МП в диапазоне частот 5 – 30 кГц, в т. ч. при фиксированной частоте 50 ± 5 % Гц, имеет цифровое и аналоговое отсчетное устройство, работающие одновременно. Отсчет показаний возможен в действующих и максимальных значениях. Прибор снабжен многофункциональным жидкокристаллическим индикатором с подсветкой, позволяющим осуществлять работу при малой освещенности. У прибора имеется меню пользователя, позволяющее устанавливать требуемый предел измерений, частоту (фиксированную или диапазон), режим работы (непрерывный отсчет показаний или выделение наибольшего значения в данной точке измерений), измеряемое значение (действующее или максимальное). Возможно использование прибора как индикатора при установке (через меню) значения ПДУ. Индикация – световой и звуковой сигнал. Анализатор имеет следующие технические характеристики: пределы измерений индукции МП – 5 нТл – 10 мТл; погрешность измерений – ± 3 или ± 5 % (в зависимости от типа датчика); питание – 5 стандартных гальванических элементов (непрерывная работа 20 ч). Укомплектован зарядным устройством; габариты – 110 х 200 х 60 мм; масса (с элементами питания) – 1000 г; допустимая температура окружающей среды – 0 – 50 °С; относительная

влажность воздуха – до 95 %; имеется возможность подключения к ПЭВМ; соответствует Международным стандартам ISO 9001 и SENELEC50166.

Измеритель напряженности магнитного поля ИНМП-50 имеет измерительный блок и выносной трехкоординатный датчик МП из секционированных катушек, смонтированных в ортогональных плоскостях, закрепленный на штанге с рукояткой; пределы измерения – 10; 100; 1000; 10000 А/м (выбор предела измерения осуществляется автоматически); отсчетное устройство – цифровое; погрешность измерения – < 10 %; питание – комбинированное.

Основные эксплуатационные характеристики: возможность работы в условиях воздействия ЭП частотой 50 Гц (при Е < 50 кВ/м); допустимая температура окружающей среды – 10 – 30 °С; относительная влажность воздуха – не более 90 %.

Измеритель магнитной индукции промышленной частоты ИМП-50 измеряет действующее значение индукции переменного МП; датчик трехкоординатный; частотный диапазон – 50±1 Гц; диапазон измерений – 0.01 мкТл – 10 мТл; погрешность измерения – < 10 %; относительная влажность – до 98 %; питание – автономное.

Для измерения напряженности постоянного магнитного поля используются также приборы Ш1-8 и Ф4355 , имеющие диапазон измерений 0 – 1600 кА/м, а также прибор Г-79 с диапазоном измерений 0 – 15 кА/м в частотном диапазоне 0.02 – 20 кГц.

После проведения измерений необходимо оформлять протокол. В протокол вносятся следующие данные:

– наименование объекта;

– реквизиты организации, проводящей измерения;

– дата проведения измерений;

– характеристика средства измерения (тип, заводской номер, пределы измерений, основная погрешность, дата последней поверки);

– Ф.И.О., должность представителя организации – владельца электроустановки;

– план размещения оборудования с указанием расположения рабочих мест и точек измерения;

– рабочий ток в источнике МП во время проведения измерений;

– сведения о методике измерений;

– температура и относительная влажность воздуха;

– результаты измерений;

– заключение (выводы) с оценкой соответствия измеренных уровней МП предельно допустимым уровням;

– фамилии и должности лиц, производивших измерения;

Напряжённость магнитного поля.

Циркуляция вектора магнитной индукции по замкнутому контуру в магнитной среде, очевидно, должна рассчитываться с учетом всех токов, которые чисто условно разделены на ток проводимости и ток намагничения :

(1)

Анализируя совокупность соотношения (3) предыдущего раздела и соотношения (1), замечаем, что имеет место зависимость

. (2)

Полученная зависимость удобна тем, что в ее правой части стоит величина тока проводимости J , не связанная с молекулярной структурой вещества.

Введем в рассмотрение вектор напряженности магнитного поля :

(3)

и получим интегральное соотношение

, (4)

и соответствующее ему (следствие классической теоремы Стокса) дифференциальное соотношение

где - объёмная плотность тока проводимости. Физическая размерность вектора напряжённости магнитного поля совпадает с размерностью вектора намагничения среды и равна . В качестве единицы измерения вектора напряжённости магнитного поля используют эту же величину . В магнитостатике для некоторых геометрических конфигураций электрических токов проводимости с высокой степенью симметрии интегральное соотношение (4) позволяет рассчитывать поле магнитной напряжённости .

7.4.5. Магнитные свойства среды .

При феноменологическом подходе к описанию магнитной среды, не затрагивающем молекулярно-кинетическое строение среды, полагают, что

причем для многих веществ и “слабых” магнитных полей эта зависимость линейная и однородная:

где - магнитная восприимчивость среды (величина безразмерная). При феноменологическом описании среды зависимость (2) и, в частности, величина считаются известными или из опыта, или из рассмотрения соответствующих молекулярно-кинетических моделей среды. Зависимость (2) позволяет записать “материальное уравнение” магнитной среды в форме

носит название “магнитная проницаемость” среды (величина безразмерная).

Вопрос о плотности некомпенсированных молекулярных токов решается прямым вычислением:

(5)

Легко видеть, что плотность токов намагничения обусловлена токами проводимости и неоднородностью магнитных свойств среды.

Варианты построения теории магнитного поля в веществе.

Справедливость результатов настоящего раздела, строго говоря, существенно зависит от принятой формы записи магнитных дипольных моментов элементарных токов (1) раздела 7.4.3. В более полных руководствах по классической электродинамике приняты две схемы введения векторного поля намагниченности среды. Согласно первой схеме в качестве постулата принимают уравнение (4) того же раздела и методами векторного анализа доказывают, что из общего определения магнитного момента системы токов

(1)

следует соотношение

(2)

Выражение (2) определяет физический смысл вектора намагниченности как магнитный момент объёма среды, занятого токами намагничения, в пересчете на единицу объёма.

Согласно второй схеме рассматривают выражение для векторного потенциала магнитного поля

(3)

в точках пространства, достаточно удаленных от рассматриваемого объёма среды с токами намагничения,

(4)

и переходят от дифференциальных операций по координатам точки наблюдения к дифференциальным операциям по координатам точек расположения элементарных объёмов среды с токами намагничения. После достаточно сложных выкладок приходят к результату:

. (5)

Сравнивая между собой выражения (3) и (5), приходят к заключению, что справедливо уравнение (4) раздела 7.4.3

Таким образом, основные макроскопические представления о векторном поле намагничения среды можно считать обоснованными.

Заметим, что вектор намагниченности среды как локальная физическая характеристика среды не зависит от выбора начала координат. В основе её определения лежит понятие магнитного момента системы токов. Если определить вектор намагниченности соотношением

, (6)

т.е. в основу определения вектора намагничения среды положить магнитный момент системы токов относительно точки наблюдения и рассматривать объём среды с токами в малой окрестности точки наблюдения, то прямым вычислением приходим к результатам.

Магнитное поле постоянного магнита вызывается движением электронов по их орбитам в атоме.

Магнитное поле характеризуется напряженностью. Напряженность H магнитного поля аналогична механической силе. Она является векторной величиной, т. е. имеет величину и направление.

Магнитное поле, т. е. пространство вокруг магнита, можно представить заполненным магнитными линиями, которые принято считать выходящими из северного полюса магнита и входящими в южный (рис. 1). Касательные к магнитной линии показывают направление напряженности магнитного поля.

Напряженность магнитного поля больше там, где магнитные линии гуще (на полюсах магнита или внутри катушки с током).

Магнитное поле около проводника (или внутри катушки) тем больше, чем больше ток I и число витков ω катушки.

Напряженность магнитного поля H в любой точке пространства тем больше, чем больше произведение I∙ω и чем меньше длина магнитной линии:

H=(I∙ω)/l.

Из уравнения следует, что единицей измерения напряженности магнитного поля является ампер на метр (А/м).

Для каждой магнитной линии в данном однородном поле произведения H1∙l1=H2∙l2=...=H∙l=I∙ω равны (рис. 1).

Рис. 1.

Произведение H∙l в магнитных цепях аналогично напряжению в электрических цепях и называется магнитным напряжением, а взятое по всей длине линии магнитной индукции называется намагничивающей силой (н. с.) Fм: Fм=H∙l=I∙ω.

Намагничивающая сила Fм измеряется в амперах, но в технической практике вместо названия ампер применяется название ампер-виток, чем подчеркивается то, что Fм пропорциональна току и числу витков.

Для цилиндрической катушки без сердечника, длина которой значительно больше ее диаметра (l≫d), магнитное поле внутри катушки можно считать однородным, т. е. имеющим одинаковую напряженность магнитного поля H во всем внутреннем пространстве катушки (рис. 1). Так как магнитное поле вне такой катушки гораздо слабее, чем внутри нее, то внешним магнитным полем можно пренебречь и при расчете считать, что н. с. катушки равна произведению напряженности поля внутри катушки на длину катушки.

Полярность магнитного поля провода и катушки с током определяется правилом буравчика. Если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока, то направление вращения рукоятки буравчика укажет направление магнитных линий.

Примеры

1. Через катушку, имеющую 2000 витков, протекает ток 3 А. Чему равна н. с. катушки?

Fм=I∙ω=3∙2000=6000 А. Намагничивающая сила катушки равна 6000 ампер-виткам.

2. Катушка, имеющая 2500 витков, должна иметь н. с. 10000 А. Какой ток должен через нее протекать?

I=Fм/ω=(I∙ω)/ω=10000/2500=4 А.

3. По катушке протекает ток I=2 А. Сколько витков должно быть в катушке для обеспечения н. с. 8000 А?

ω= Fм/I=(I∙ω)/I=8000/2=4000 витков.

4. Внутри катушки длиной 10 см, имеющей 100 витков, необходимо обеспечить напряженность магнитного поля H=4000 А/м. Какой ток должен протекать по катушке?

Намагничивающая сила катушки Fм=H∙l=I∙ω. Отсюда 4000 А/м ∙0,1 м =I∙100; I=400/100=4 А.

5. Диаметр катушки (соленоида) D=20 мм, а ее длина l=10 см. Катушка намотана из медного провода диаметром d=0,4 мм. Какова напряженность магнитного поля внутри катушки, если она включена на напряжение 4,5 В?

Число витков без учета толщины изоляции ω=l∶d=100∶0,4=250 витков.

Длина витка π∙d=3,14∙0,02 м =0,0628 м.

Длина провода катушки l1=250∙0,0628 м =15,7 м.

Активное сопротивление катушки r=ρ∙l1/S=0,0175∙(4∙15,7)/(3,14∙0,16)=2,2 Ом.

Ток I=U/r=4,5/2,2=2,045 А ≈2 А.

Напряженность магнитного поля внутри катушки H=(I∙ω)/l=(2∙250)/0,1=5000 А/м.

6. Определить напряженность магнитного поля на расстоянии 1, 2, 5 см от прямого провода, по которому протекает ток I=100 А.

Воспользуемся формулой H∙l=I∙ω.

Для прямого провода ω=1 и l=2∙π∙r,

откуда H= I/(2∙π∙r).

H1=100/(2∙3,14∙0,01)=1590 А/м; H2=795 А/м; H3=318 А/м.

Общие сведения

Напряжённость магнитного поля и магнитная индукция. Казалось бы, зачем было физикам усложнять и без того сложные физические понятия при описании явлений магнетизма? Два вектора, одинаково направленные, отличающиеся разве что коэффициентом пропорциональности - ну какой в этом смысл с точки зрения простого человека, не слишком обременённого знаниями из области современной физики?

Тем не менее, именно в этом различии скрываются нюансы, позволившие учёным открыть и удивительные свойства различных веществ, и законы их взаимодействия с магнитным полем, и даже изменить наши представления об окружающем мире.

В действительности за этой разницей скрывается различный методологический подход. Упрощенно говоря, в случае использования понятия напряжённости магнитного поля мы пренебрегаем влиянием магнитного поля на вещество в конкретном случае; в случае применения понятия магнитной индукции, мы учитываем этот фактор.

С технической точки зрения, напряжённость магнитного поля сколь угодно сложной конфигурации достаточно просто рассчитать, а результирующую магнитную индукцию - измерить.

За этой кажущейся простотой скрывается титанический труд целой плеяды учёных, разделённых во времени и пространстве. Их идеи и концепции определили и определяют развитие науки и техники в прошлом, настоящем и будущем.

И неважно, как скоро мы овладеем термоядерной энергией с помощью нового поколения термоядерных реакторов, основанных на удержании «горячей» плазмы магнитным полем. Когда отправим в космос новые поколения исследовательских роботов на ракетах, основанных на применении иных принципов, чем сжигание химического топлива. Или, в частности, решим задачу коррекции орбит микроспутников двигателями Холла. Или насколько полно сможем утилизировать энергию Солнца, как быстро и дёшево мы сможем передвигаться по нашей планете - имена первопроходцев науки навеки останутся в нашей памяти.

Уже современному поколению учёных и инженеров двадцать первого века, вооружённому накопленными знаниями своих предшественников, покорится задача магнитной левитации, пока апробированная в лабораториях и пилотных проектах; и проблема извлечения энергии из окружающей среды с помощью технической реализации «демона Максвелла» с использованием невиданных до сих пор материалов и взаимодействий нового типа. Первые прототипы таких устройств уже появились на Kiсkstarter.

При этом будет решена главная проблема человечества - превращения в тепло накопленных за сотни миллионов лет запасов углей и углеводородов, нещадно изменяющих продуктами сгорания климат нашей планеты. И грядущая термоядерная революция, гарантирующая, вслед за её бездумным освоением, тепловую смерть всякой органической жизни на Земле, не станет смертным приговором цивилизации. Ведь энергия любого вида, которую мы расходуем, в конце концов превращается в тепло и нагревает нашу планету.

Дело за малым - временем; доживём - увидим!

Историческая справка

Несмотря на то, что сами магниты и явление намагничивания были известны издавна, научное изучение магнетизма началось с работ французского средневекового учёного Пьера Пелерена де Марикура в далёком 1269 году. Де Марикур подписывал свои труды именем Петруса Перегрина (лат. Petrus Peregrinus).

Исследуя поведение железной иглы возле сферического магнита, учёный обнаружил, что игла по-особенному ведёт себя возле двух точек, названных им полюсами. Так и подмывает дать аналогию с магнитными полюсами Земли, но в то время за такой образ мыслей легко можно было отправиться на костёр! Кроме того, исследователь обнаружил, что любой магнит всегда имеет (в современном представлении) северный и южный полюса. И как не распиливай магнит в продольном или в поперечном сечении, всё равно каждый из полученных магнитов всегда будет иметь два полюса, как бы тонок он ни был.

«Крамольная» идея о том, что Земля сама по себе является магнитом, была опубликована английским врачом и натуралистом Уильямом Гилбертом в работе «De Magnete», увидевшей свет почти три века спустя в 1600 году.

В 1750 году английский учёный Джон Митчелл установил, что магниты притягиваются и отталкиваются (взаимодействуют) в соответствии с законом «обратных квадратов». В 1785 году французский учёный Шарль Огюстен де Кулон экспериментально проверил предположения Митчелла и установил, что северный и южный магнитные полюса не могут быть разъединены. Тем не менее, по аналогии с открытым им ранее законом взаимодействия электрических зарядов, Кулон всё же предположил существование и магнитных зарядов - гипотетических магнитных монополей .

Основываясь на известных ему на то время фактов о магнетизме и на преобладающем в то время в науке методологическом подходе к построению теорий взаимодействия как о некоторых жидкостях, в 1824 году соотечественник Кулона Симеон Дени Пуассон создал первую успешную модель магнетизма. В его теоретической модели магнитное поле описывалось диполями магнитных зарядов.

Но буквально сразу же три открытия подряд поставили под сомнение модель Пуассона. Рассмотрим их ниже.

Датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1819 году заметил отклонение стрелки магнитного компаса при включении и отключении электрического тока, протекающего через проводник в виде проволоки, обнаружив, таким образом, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.

В 1820 году французский учёный Андре-Мари Ампер установил, что проводники с токами, текущими в одном направлении притягиваются, а в противоположном - отталкиваются. В том же 1820 году французские физики Жан-Батист Био и Феликс Савар открыли закон названный впоследствии их именами. Этот закон позволял рассчитать напряжённость магнитного поля вокруг любого проводника с током вне зависимости от его геометрической конфигурации.

Обобщая полученные теоретические и экспериментальные данные, Ампер высказал идею об эквивалентности электрических токов и проявлений магнетизма. Он разработал свою модель магнетизма, в которой заменил магнитные диполи циркуляцией электрических токов в крошечных замкнутых петлях. Модель проявления магнетизма Ампера имела преимущество перед моделью Пуассона, поскольку объясняла невозможность разделения полюсов магнитов.

Ампер также предложил для описания таких явлений термин «электродинамика», который расширил применение науки об электричестве к динамическим электрическим объектам, дополняя тем самым электростатику. Пожалуй, наибольшее влияние на понимание сути проявлений магнетизма оказала концепция представления взаимодействия магнитов через силовое поле, описываемое силовыми линиями, предложенная английским учёным Майклом Фарадеем. Открытое в 1831 году Фарадеем явление электромагнитной индукции позднее было объяснено немецким математиком Францем Эрнстом Нейманом. Последний доказал, что возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него, является просто следствием закона Ампера. Нейман ввел в обиход науки понятие векторного магнитного потенциала, который во многом эквивалентен напряжённости силовых линий магнитного поля Фарадея.

Окончательную точку в споре двух моделей магнетизма поставил в 1850 году выдающийся английский физик Уильям Томпсон (лорд Кельвин). Введя понятие намагниченности среды M , в которой имеется магнитное поле, он не только установил зависимость между напряжённостью магнитного поля H и вектором магнитной индукции B , но и определил области применимости этих понятий.

Напряжённость магнитного поля. Определение

Напряжённость магнитного поля - это векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности М . В Международной системе единиц (СИ) значение напряжённости магнитного поля определяется формулой:

H = (1/μ 0) · B - M

где μ0 - магнитная постоянная, иногда её называют магнитной проницаемостью вакуума

В системе единиц СГС напряженность магнитного поля определяется по другой формуле:

Н = B - 4·π·М

В Международной системе единиц СИ напряжённость магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м), в системе СГС - в эрстедах (Э).

В электротехнике встречается также внесистемная единица измерения напряжённости - ампер-виток на метр. С другими величинами измерения напряжённости магнитного поля, применяемыми в различных приложениях, и их переводами из одной величины в другую, можно ознакомиться в конвертере физических величин.

Измерительные приборы для измерения величины напряжённости магнитного поля, как и приборы для измерения магнитной индукции, называют тесламетрами или магнитометрами.

Напряжённость магнитного поля. Физика явлений

Исследовательский токамак (то роидальная ка мера с ма гнитными катушками), работавший в научно-исследовательском институте государственной энергетической компании Hydro-Québec в пригороде Монреаля c 1987 по 1997 год, когда проект был закрыт для экономии бюджетных средств. Установка находится в экспозиции Канадского музея науки и техники

В вакууме (в классическом понимании этого термина) или в отсутствие среды, способной к магнитной поляризации или в случаях, когда магнитной поляризацией среды можно пренебречь, напряжённость магнитного поля Н совпадает (с точностью до коэффициента) с вектором магнитной индукции В . Для системы СГС этот коэффициент равен 1, для системы единиц СИ - μ0.

Напряжённость магнитного поля обусловлена свободными (внешними) токами, которые легко измерить или рассчитать. То есть напряжённость имеет смысл для внешнего магнитного поля, создаваемого катушкой с током, в которую вставлен материал, способный намагничиваться. Если нас не интересует поведение материала под действием магнитного поля, то достаточно оперировать только напряжённостью магнитного поля. Например, напряженности будет достаточно для технического расчёта взаимодействия магнитных полей двух или более катушек с током. Результирующая напряжённость будет векторной суммой полей, создаваемых отдельными катушками с током.

Поскольку большинство электромагнитных устройств работает в воздушной среде, важно знать её магнитную проницаемость. Абсолютная магнитная проницаемость воздуха приблизительно равна магнитной проницаемости вакуума и в технических расчётах принимается равной 4π 10⁻⁷ Гн/м.

Иное дело, когда нас интересует именно поведение среды, способной к намагничиванию, например, при использовании ядерных магниторезонансных явлений. При ЯМР ядра атомов, иначе называемые нуклонами и обладающие полуцелым спином (магнитным моментом), при воздействии магнитного поля поглощают или излучают электромагнитную энергию на определённых частотах. В этих случаях необходимо учитывать именно магнитную индукцию.

Применение напряжённости магнитного поля в технике

В большинстве случаев практического применения магнитного поля, например, для его создания или для измерения его величины, напряжённость магнитного поля играет ключевую роль. Существует множество примеров использования магнитного поля, в первую очередь в измерительной технике и в различных установках для проведения экспериментов.

Магнитное поле определённой силы и конфигурации удерживает плазменные шнуры или потоки заряженных частиц в исследовательских термоядерных реакторах и в ускорителях элементарных частиц, предотвращая тем самым охлаждение плазмы при контакте с ограждающими стенками. Оно же отклоняет потоки ионов или электронов в спектрометрах и кинескопах.

Измерение напряжённости магнитного поля Земли в различных точках очень важно для оценки состояния её магнитосферы. Существует даже целая сеть наземных станций и группировок научных спутников для мониторинга напряжённости магнитного поля Земли. Их работа позволяет предсказывать магнитные бури, возникающие на Солнце, сводя к минимуму, насколько это возможно, их последствия.

Измерение напряженности поля даёт возможность проводить различные изыскания, сортировать материалы и мусор, а также обеспечивать нашу безопасность, обнаруживая оружие террористов или заложённые мины.

Магнитометры

Магнитометрами называется целый класс измерительных приборов, предназначенных для измерения намагниченности материалов или для определения силы и направления магнитного поля.

Первый магнитометр был изобретён великим немецким математиком и физиком Карлом Фридрихом Гауссом в 1833 году. Этот прибор представлял собой оптический прибор с крутящимся намагниченным стержнем, подвешенным на золотой нити, и приклеенным к нему перпендикулярно оси магнита зеркалом. Измерялось различие колебаний намагниченного и размагниченного стержня.

Ныне используются более чувствительные магнитометры на иных принципах, в частности, на датчиках Холла, джозефсоновских туннельных контактах (СКВИД-магнитометры) индукционные и на ЯМР-резонансе. Они находят широкое применение в различных приложениях: измерении магнитного поля Земли, в геофизических исследованиях магнитных аномалий и в поиске полезных ископаемых; в военном деле для обнаружения объектов типа подводных лодок, затонувших кораблей или замаскированных танков, искажающих своим полем магнитное поле Земли; для поиска неразорвавшихся или заложенных боеприпасов на местах ведения боевых действий. В связи с миниатюризацией и снижением потребления тока, современными магнитометрами оснащаются смартфоны и планшеты. Ныне магнитометры входят как неотъемлемый компонент в оборудование разведывательных беспилотных летательных аппаратов и спутников-шпионов.

Любопытная деталь: в связи с повышением чувствительности магнитометров, одним из факторов перехода строительства подводных лодок на титановые корпуса вместо стальных корпусов было именно радикальное снижение их заметности в магнитном поле. Ранее подлодкам со стальным корпусом, как, впрочем, и надводным кораблям, приходилось время от времени проходить процедуру демагнетизации.

Магнитометры применяются при бурении скважин и проходке штолен, в археологии для оконтуривания раскопок и поиска артефактов, в биологии и медицине.

Металлодетекторы

Попытки использования напряжённости магнитного поля в военном деле предпринимались со времён Первой мировой войны, оставившей на полях сражений миллионы неразорвавшихся боеприпасов и установленных мин. Наиболее удачной оказалась разработка в начале 40-х годов прошлого столетия, поручика польской армии Юзефа Станислава Косацкого, принятая на вооружение британской армией и сослужившая немалую пользу при обезвреживании минных полей во время преследовании отступающих немцев войсками генерала Монтгомери при второй битве под Эль-Аламейном. Несмотря на то, что оборудование Коcацкого было выполнено на электронных лампах, оно весило всего 14 килограммов вместе с аккумуляторами питания и было настолько эффективным, что его модификации использовались британской армией в течение 50 лет.

Теперь нас не удивляет, в связи с распространением терроризма, прохождение перед посадкой на самолёт или на футбольные матчи сквозь индукционные рамки металлодетекторов, обследование охраной объектов нашего багажа или личный досмотр ручными металлоискателями на предмет обнаружения оружия.

Широкое распространение получили и бытовые металлоискатели, на пляжах модных курортов стала привычной картина искателей утерянных сокровищ, прочёсывающих местные пляжи в надежде найти что-либо ценное.

Эффект Холла и устройства на его основе

Применительно к нашему эксперименту сущность его такова: катушка 1 (рис. 24), подключенная к источнику постоянного напряжения, расположена вблизи катушки 2, подключенной к измерительному прибору. При замыкании или размыкании ключа К резко меняется создаваемое протекающим по катушке 1 током магнитное поле, вследствие чего в катушке 2 по закону электромагнитной индукции возникает индукционный ток, регистрируемый прибором; по показаниям последнего можно оценить параметры магнитного поля.

В качестве измерительного прибора используется баллистический гальванометр, у которого подвижная часть обладает значительным моментом инерции, вследствие чего угол отклонения (отброс) подвижной части прибора оказывается пропорциональным прошедшему через нее заряду q :

a = С× q . (18)

Коэффициент пропорциональности С называется баллистической постоянной гальванометра.

При замыкании ключа и прекращении тока через катушку 1 в катушке 2 возникает ЭДС индукции и ток с мгновенным значением , где R – сопротивление измерительной цепи. Через катушку 2 и соединенный с ней последовательно гальванометр пройдет заряд

, (19)

где Ф – начальное значение магнитного потока через катушку 2.

Из (18) и (19) следует, что

Таким образом, показания гальванометра определяются изменением магнитного потока через измерительную катушку.

Экспериментальная часть

Для определения баллистической постоянной гальванометра используется калибровочный соленоид. Соленоидом называют катушку, у которой длина намного больше диаметра (зачастую соленоидом называют всякую катушку). Внутри соленоида напряженность магнитного поля постоянна по всему сечению и равна

,

где l 1 – его длина, N 1 – число витков в обмотке соленоида, I – сила тока в обмотке. Датчик (измерительная катушка) с числом витков N 2 намотана на каркас, плотно одевающийся на соленоид (рис. 25), поэтому его сечение можно принять равным сечению соленоида S 1 . Поток через один виток датчика Ф 0 = В× S 1 , а В = m 0 ×m×Н сол. Поток через все витки датчика .

Подставляя в (20) и преобразуя, получим:

. (21)

Все величины в этом выражении определяются опытным путем.

Напряженность поля катушки измеряется с помощью датчика с N 3 витками, способного передвигаться по деревянному стержню вдоль оси исследуемой катушки. Датчик имеет достаточно малое сечение, так что напряженность поля во всех точках сечения можно считать одинаковой. Магнитный поток через датчик

Ф = В × S 3 × N 3 ,

где В = m 0 × m × Н кат – индукция поля исследуемой катушки на ее оси.

При включении этого потока отброс гальванометра a, согласно (20), будет

,

где R 2 – сопротивление измерительной цепи с датчиком катушки.

Тогда, измеряя a, получим:

. (22)

Пересчетный коэффициент k на основании (21) и (22) получится:

. (23)

Порядок выполнения работы

Задание 1 . Определение пересчетного коэффициента.

Оборудование: выпрямитель ВС-24; реостат до 100 Ом, 1 А; амперметр до 1 А; баллистический гальванометр; калибровочный соленоид с датчиком; 2 ключа.

1. Собрать цепь на рис. 26. Напряжение на соленоид С подается от выпрямителя через реостат R , которым осуществляется точная регулировка тока. Датчик Д следует установить на середине соленоида. С помощью регулятора на выпрямителе и реостата подобрать рабочий ток соленоида (0,2–0,5 А), чтобы при размыкании ключа К 1 отброс «зайчика» был значительным, но в пределах шкалы. Ключ К 2 служит для гашения колебаний подвижной части прибора. При его замыкании в измерительной цепи возникает индукционный ток, тормозящий подвижную часть.

Рис. 26

2. Подобрав рабочий ток I 1 , измерить отброс гальванометра a 1 при одном или нескольких значениях I 1 – всего не менее 5 измерений.

Примечание. Сечение датчиков (S 1 и S 3) определяют по измерениям их диаметров. Длина соленоида l 1 также измеряется непосредственно. R 1 и R 2 складываются из сопротивления гальванометра и соответствующего датчика.

3. Все величины подставляют в формулу (23), вычисляют значения k для отдельных измерений и затем усредняют.

Задание 2 . Измерение напряженности на оси катушки.

1. Использовать ту же схему на рис. 26, но вместо калибровочного соленоида включить исследуемую катушку с ее датчиком. Перед началом измерений датчик следует установить в середине катушки и подобрать рабочий ток, причем рабочий ток должен оставаться неизменным в ходе всего опыта.

2. Установить датчик возле одного из концов катушки и произвести измерения Н кат как функции расстояния х датчика от этого конца. Расстояние x менять с шагом 3 см, пока датчик не переместится к другому концу катушки.

3. Измерения отброса для каждого положения датчика производится по 3 раза во избежание промахов. Результаты измерений занести в табл. 8.

Таблица 8

x , см	α, мм	α ср, мм	Н кат

4. Для каждого положения датчика значения отбросов усреднить и использовать для вычисления Н кат по формуле (22) с использованием пересчетного коэффициента, полученного в предыдущем задании. Результаты вычисления Н кат внести в таблицу.

5. По результатам расчетов построить кривую Н (х ).

Контрольные вопросы и задания

1. Какие величины используют для описания магнитного поля?

2. Дайте определение магнитного потока через произвольный контур. Как определяется магнитный поток через катушку?

3. Запишите формулы, определяющие магнитное поле катушки (соленоида).

4. В чем заключается суть явления электромагнитной индукции?

5. Запишите закон электромагнитной индукции.

6. Объясните полученную кривую Н (х ).

7. Определите число витков в исследуемой катушке, измерьте ее длину и диаметр. Используя эти данные, вычислите по теоретической формуле напряженность поля в центре катушки и сравните с экспериментальным значением.

8. Объясните, для чего необходимо использовать калибровочную катушку.

Лабораторная работа 7(9)

ИЗМЕРЕНИЕ ИНДУКТИВНОСТИ

Цель работы: ознакомиться с методом измерения индуктивности катушки по ее полному сопротивлению.

Теоретическая часть

Всякий проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. Одной из характеристик этого поля является магнитный поток Ф, величина которого Ф = L × I , где коэффициент L называется индуктивностью (коэффициентом самоиндукции) проводника и определяется его конфигурацией и магнитными свойствами окружающей среды. Индуктивность оказывается значительной только у катушек, почему они и используются для усиления магнитного потока.

где w и n – циклическая и линейная частота тока. Полное сопротивление катушки

. (26)

Из выражений (24)–(26) получаем

. (27)

Таким образом, для определения индуктивности катушки достаточно знать ее омическое сопротивление, а также измерить силу тока I в ней при подаче на нее переменного напряжения U и частоты n.

Экспериментальная часть

Для осуществления этой идеи предназначена схема на рис. 28. В ней имеется переключатель П, с помощью которого катушку L можно включать или в схему мостика Уитстона (правая часть схемы), или в цепь переменного тока (левая часть).

Рис. 28

При включении в мостовую схему (переключатель П в положении 2) определяется омическое сопротивление катушки. Подробная теория мостика Уитстона приведена в . Здесь же достаточно знать, что сопротивление катушки определяется по формуле

где R – сопротивление магазина; l АС и l СВ – длины плеч реохорда, если гальванометр установился на нуле при замкнутом ключе К.

В положении 1 переключателя П катушка включается в цепь источника переменного тока и по измерениям напряжения на ней и силы тока в ней определяется полное сопротивление катушки. После чего по формуле (27) определяется индуктивность катушки.

Порядок выполнения работы

Задание 1 . Измерение индуктивности одной катушки.

Оборудование: источник переменного тока до 100 В; двойной переключатель; амперметр до 1 А; вольтметр до 100 В; гальванометр; магазин сопротивлений; источник постоянного тока (батарейка, аккумулятор или выпрямитель); три однополюсных ключа; реохорд; катушка.

1. Собрать схему на рис. 28 и произвести вышеописанные измерения. Измерения полного сопротивления провести при трех различных значениях напряжения. Измерения омического сопротивления провести при трех различных соотношениях плеч реохорда. При этом установка гальванометра на нуль достигается подбором сопротивления магазина. Результаты измерений занести в табл. 9.

Таблица 9

Примечание. Вблизи катушки не должно находиться предметов из ферромагнитных материалов.

Используя формулы (24), (27) и (28), вычислить сопротивление катушки R L , ее полное сопротивление и индуктивность L . Следует помнить, что R в формуле (28) и табл. 9 – сопротивление магазина, а в формулу (27) надо подставлять омическое сопротивление катушки R L . Результаты расчетов внести в табл. 10.

Таблица 10

Катушка	R , Ом	Z , Ом	L , Гн	L средн, Гн

Задание 2. Измерение индуктивности второй катушки.

Выполняется так же, как с первой катушкой. Результаты измерений занести в табл. 9 и 10.

Задание 3. Измерение взаимной индуктивности катушек.

Индуктивность системы из двух катушек

L = L 1 + L 2 ± 2M , (29)

где L 1 и L 2 – индуктивность самих катушек, М – взаимная индуктивность. Знак М зависит от взаимного направления магнитных полей катушек.

1. Катушки поставить одна на другую, вставить деревянный сердечник, соединить их последовательно.

2. Включить катушки в цепь переменного тока и измерить силу тока в них при трех значениях подаваемого напряжения. Результаты измерения занести в табл. 11.

Таблица 11

3. Вычислить по формуле (27) индуктивность системы из двух катушек, учитывая, что омическое сопротивление системы является суммой омических сопротивлений катушек. Взаимную индуктивность определить, исходя из (29).