עקרונות מדידת שדות מגנטיים, מכשירים למדידת פרמטרים של שדה מגנטי

המצפנים המגנטיים הראשונים המציינים כיוונים לקטבים המגנטיים של כדור הארץ הופיעו במאה השלישית לפני הספירה בסין. אלה היו מכשירים בצורת מצקות עגולות עם ידיות קצרות עשויות עפרת ברזל מגנטית.

הכף הונחה עם חלקה הקמור על משטח נחושת או עץ חלק, שעליו צוירו חלוקות עם תמונות של המזלות, המציינים את הנקודות הקרדינליות. כדי להפעיל את המצפן, הכפית נלחצה קלות והיא החלה להסתובב. בסופו של דבר, כשהכף נעצרה, הידית שלה הייתה מחודדת בדיוק לכיוון הקוטב המגנטי הדרומי של כדור הארץ.

מהמאה השתים עשרה, מצפנים שימשו באופן פעיל על ידי מטיילים באירופה. הם הותקנו הן על כלי תחבורה יבשתי והן על ספינות ימיות כדי לקבוע את הסטייה המגנטית.

מסוף המאה השמונה עשרה הפכו תופעות מגנטיות למושא מחקר קפדני עבור המדענים של אותה תקופה. Pendant בשנת 1785 הציע שיטה לכימות עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ. בשנת 1832גאוס הראה את האפשרות לקבוע את הערך המוחלט של עוצמת השדה המגנטי באמצעות מדידות מדויקות יותר.

הקשר בין תופעות מגנטיות והשפעות כוח שנצפו במהלך תנועת מטענים חשמליים נוצר לראשונה בשנת 1820 על ידי Oersted. מקסוול יכתוב מאוחר יותר את היחס הזה בצורה רציונלית - בצורה של משוואות מתמטיות (1873):

עד כה, הטכניקה הבאה משמשת למדידת הפרמטרים של השדה המגנטי:

• טסלמטרים - מכשירים למדידת ערכי הכוח H או אינדוקציה של השדה המגנטי B;

• מדדי אינטרנט - מכשירים למדידת גודל השטף המגנטי Ф;

• גרדיומטרים - מכשירים למדידת אי-הומוגניות של שדה מגנטי.

קיימים גם:

• מכשירים למדידת המומנט המגנטי M;

• מכשירים למדידת כיוון הווקטור B;

• מכשירים למדידת קבועים מגנטיים של חומרים שונים.

וקטור אינדוקציה מגנטי B מאפיין את עוצמת פעולת הצד החזקה שדה מגנטי (לקוטב או לזרם) ולכן הוא המאפיין העיקרי שלו בנקודה נתונה במרחב.

לפיכך, השדה המגנטי הנחקר יכול לקיים אינטראקציה חזקה עם מגנט או עם אלמנט זרם, והוא גם מסוגל לגרום לאינדוקציה EMF במעגל אם השדה המגנטי החודר למעגל משתנה עם הזמן או אם המעגל משנה את מיקומו הוא ביחס ל השדה המגנטי.

אלמנט נושא זרם באורך dl בשדה מגנטי של אינדוקציה B יופעל על ידי כוח F, שאת ערכו ניתן למצוא באמצעות הנוסחה הבאה:

לכן, ניתן למצוא את האינדוקציה B של השדה המגנטי הנחקר על ידי הכוח F, הפועל על מוליך באורך נתון l, עם זרם ישר בערך ידוע I, המוצב בשדה מגנטי זה.

בפועל, מדידות מגנטיות מבוצעות בצורה נוחה באמצעות כמות הנקראת המומנט המגנטי. המומנט המגנטי Pm מאפיין את קו המתאר של אזור S עם הזרם I, וגודל המומנט המגנטי נקבע באופן הבא:

אם נעשה שימוש בסליל עם N סיבובים, אז המומנט המגנטי שלו יהיה שווה ל:

ניתן למצוא את המומנט המכני M של כוח האינטראקציה המגנטי בהתבסס על ערכי המומנט המגנטי Pm ואינדוקציית השדה המגנטי B באופן הבא:

עם זאת, כדי למדוד שדה מגנטי, לא תמיד נוח להשתמש בביטויי הכוח המכני שלו. למרבה המזל, ישנה תופעה נוספת שאפשר לסמוך עליה. זוהי תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית. חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית בצורה מתמטית כתוב כך:

לפיכך, השדה המגנטי מתבטא ככוחות או EMF מושרה. במקרה זה, מקור השדה המגנטי עצמו, כידוע, הוא זרם חשמלי.

אם הזרם המייצר את השדה המגנטי בנקודה נתונה בחלל ידוע, אזי ניתן למצוא את עוצמת השדה המגנטי באותה נקודה (במרחק r מהיסוד הנוכחי). באמצעות חוק Biot-Savart-Laplace:

יש לציין שהאינדוקציה המגנטית B בוואקום קשורה לעוצמת השדה המגנטי H (הנוצר על ידי הזרם המתאים) על ידי היחס הבא:

הקבוע המגנטי של הוואקום במערכת SI מוגדר באמפר.עבור תווך שרירותי, קבוע זה הוא היחס בין האינדוקציה המגנטית בתווך נתון לבין ההשראה המגנטית בוואקום, וקבוע זה נקרא חדירות מגנטית של המדיום:

החדירות המגנטית של האוויר עולה בקנה אחד עם החדירות המגנטית של ואקום; לכן, עבור אוויר, האינדוקציה המגנטית B זהה כמעט למתח השדה המגנטי H.

יחידה למדידת אינדוקציה מגנטית ב-NE - טסלה [T], במערכת CGS - גאוס [G], ו-1 T = 10000 G. מכשירי מדידה לקביעת אינדוקציה של שדה מגנטי נקראים טסלמטרים.

עוצמת השדה המגנטי H נמדדת באמפר למטר (A/m), 1 אמפר/מטר מוגדר כעוצמת השדה המגנטי של סולנואיד באורך אינסופי של צפיפות יחידת הסיבוב כאשר זרם סולנואיד של 1 אמפר זורם דרכו. אמפר אחד למטר ניתן להגדיר בצורה אחרת: זהו עוצמת השדה המגנטי במרכז מעגל מעגלי עם זרם של 1 אמפר בקוטר לולאה של 1 מטר.

כאן כדאי לשים לב לערך כמו השטף המגנטי של האינדוקציה - F. זוהי כמות סקלרית, במערכת SI היא נמדדת בווברס, ובמערכת CGS - במקסוולס, עם 1 μs = 0.00000001 Wb. 1 ובר הוא שטף מגנטי בגודל כזה שכאשר הוא יורד לאפס, מטען של 1 קולום יעבור במעגל מוליך עם התנגדות של 1 אוהם המחובר אליו.

אם ניקח את השטף המגנטי F כערך התחלתי, אזי השראת השדה המגנטי B תהיה לא יותר מצפיפות השטף המגנטי. מכשירים למדידת שטף מגנטי נקראים מדדי אינטרנט.

ציינו לעיל שניתן לקבוע את ההשראה המגנטית על ידי הכוח (או על ידי המומנט המכני) או על ידי EMF המושרה במעגל. אלו הן מה שנקרא המרות מדידה ישירה, שבהן השטף המגנטי או האינדוקציה המגנטית מתבטאים על ידי כמות פיזיקלית אחרת (כוח, מטען, מומנט, הפרש פוטנציאל) הקשור באופן ייחודי לכמות המגנטית באמצעות חוק פיזיקלי בסיסי.

טרנספורמציות שבהן האינדוקציה המגנטית B או השטף המגנטי F הוא דרך הזרם I או אורך l או רדיוס r נקראות טרנספורמציות הפוכות. טרנספורמציות כאלה מבוצעות על בסיס חוק Biot-Savart-Laplace, תוך שימוש בקשר הידוע בין האינדוקציה המגנטית B לחוזק השדה המגנטי H.