1. Визначення та одиниці вимірювання
2. Магнітна індукція B
3. Напруженість магнітного поля H
4. магнітний потік
5. Історія
6. Вимірювання магнітного потоку

Магнітна плівка-визуализатор дозволяє спостерігати стаціонарні або повільно змінюються магнітні поля

Визначення та одиниці вимірювання

Магнітна індукція B

Напруженість магнітного поля H

магнітний потік

Історія

Вимірювання магнітного потоку

В останні кілька десятиліть ми живемо в оточенні магнітних полів. У будь-якої людини в кишені є смартфон з магнітом в динамічній голівці. Однак до середини XX століття мало хто носив магніти в кишені, а в наших будинках можна було нарахувати лише кілька магнітів: у радіоприймачі, трансляційному гучномовці, телефоні, та ще кілька магнітних засувок в кухонних шафках. Сьогодні магніти можна знайти на холодильнику, в настільних і портативних комп'ютерах, планшетах, смартфонах, електромоторах, в вухах (неодимові магніти в навушниках) і на вухах (магнітні кліпси), в різних електродвигунах легкових і вантажних автомобілів, в DVD-плеєрах і комп'ютерних жорстких дисках. Багато чохли смартфонів забезпечені магнітами, які керують роботою смартфона: якщо відкрити кришку, телефон показує годинник або екран блокування. Не варто забувати і про пристрої, в яких використовуються змінні магнітні та електромагнітні поля. Це трансформатори, електродвигуни та генератори, різні приводи, електромагнітні механізми зчеплення, електромагнітні гальма, антени і хвилеводи. Цей список можна продовжувати до нескінченності. Ми оточені магнітними і електромагнітними полями. Земля теж має власне геомагнітне поле, яке використовується для навігації і захищає нас від смертельного сонячного вітру.

Громіздкі підковоподібні магніти зі сплаву ЮНДК (альнико) використовувалися в магнетронах до появи феритових і пізніше рідкоземельних магнітів

Магнітне поле - силове поле навколо постійного магніту або струму заряджених частинок, що діє на феромагнітні матеріали або рухомі електричні заряди. Магнітне поле є векторним, тому що воно характеризується величиною і напрямком. Для візуалізації магнітних полів використовують магнітні силові лінії. Кількість ліній на одиницю простору вказує наскільки сильним є магнітне поле. Картину силових ліній магнітного поля можна спостерігати за допомогою сталевих або залізних тирси, магнітної плівки-визуализатора і іншими способами.

Визначення та одиниці вимірювання

Перш, ніж ми приступимо до обговорення магнітного потоку, потрібно поговорити про двох векторних полях, які описують магнітне поле. Основний силовий характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції B, званий також вектором індукції магнітного поля. Для опису магнітного поля застосовують також вектор напруженості магнітного поля H. Обидва ці вектора іноді називають просто магнітним полем. У вакуумі магнітна проникність пов'язана з магнітною індукцією співвідношенням

B = μ₀ H

де μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H • m⁻¹ - магнітна постійна, звана також магнітною проникністю вакууму. Магнітна проникність вакууму характеризує міру опору формуванню магнітного поля в вакуумі. Дивлячись на цю формулу, можна сказати, що в вакуумі напруженість магнітного поля і магнітна індукція B і H збігаються з точністю до постійного коефіцієнта. Залежно від того, в якій системі розглядається цей вислів, коефіцієнт може бути розмірним (в СІ) або безрозмірним і рівним одиниці (в СГС). Однак в магнітних речовинах взаємозв'язок між напруженістю магнітного поля і магнітної індукції B і H складніша.

Вимірювання магнітної індукції в промисловості (високовольтні електродвигуни насосної станції)

Магнітна індукція B

Залежно від того, як впливає магнітне поле на навколишні предмети і заряди, його можна описати різними способами. Часто магнітне поле визначають по силі, що діє на рухомі заряди (сила Лоренца). Ця сила, з якою електромагнітне поле діє на поміщені в нього точкові заряджені частинки. Якщо частка з зарядом q рухається зі швидкістю v в електричному полі E і магнітному полі B, то на неї діє сила F, яка визначається виразом

F = q (E + v × B)

Тут косий хрест позначено векторний добуток. Вектор магнітного поля B вимірюється в гаусах (Гс) в системі СГС і в теслах (Тл) в СІ. 1 Тл = 10 000 Гс.

Напруженість магнітного поля H

Є ще одна векторна фізична величина H, яка використовується для опису магнітного поля, і яку іноді називають енергією магнітного поля. Це поле H утворюється в результаті руху електричних зарядів і утворених ними електричних полів. Статична електричне поле напруженістю E може створити намагнічує струм I, який, в свою чергу, призведе до виникнення статичного магнітного поля з напруженістю H. У магнітних середовищах напруженість магнітного поля можна вважати напруженістю «зовнішнього» поля, яка збігається з точністю до постійного розмірного коефіцієнта з вектором магнітної індукції B, який був би при відсутності магнітної середовища. Слід врахувати, що, на відміну від вакууму, в магнітних матеріалах немає прямої пропорційності між величинами B і H. В системі СІ напруженість магнітного поля вимірюється в амперах на метр (А / м), а в СГС - в ерстедах (Е).

Магнітний потік зручно використовувати для опису дії магнітного поля в об'єктах, що займають певний об'єм, наприклад, в котушках індуктивності і трансформаторах.

магнітний потік

Магнітний потік Φm є мірою повного вектора магнітної індукції B, що проходить через задану площа. Його можна уявити як кількість магнітних силових ліній магнітного поля B, що проходять через замкнуту поверхню, наприклад, через котушку індуктивності. У зв'язку з тим, що через будь-яку малу зону поверхні проходить зазвичай різну кількість магнітних силових ліній, магнітний потік являє собою добуток номінальної середньої вихідної магнітної індукції на площу поверхні, перпендикулярної до перетинають її магнітних силових ліній. Тобто:

Φm = B ∙ A

У більш складному випадку, коли розглядається ділянка плоскої поверхні, яка розташована не перпендикулярно до магнітних силових ліній, можна використовувати вираз

Φm = B ∙ A ∙ Cos θ

З цього виразу видно, що якщо розглянутий ділянку поверхні розташований паралельно магнітним силовим лініям, то магнітний потік, що пронизує його, буде дорівнює нулю. У той же час, найбільший потік буде спостерігатися, якщо поверхня перпендикулярна магнітним силовим лініям. Якщо ж розглянутий ділянку поверхні не плоский, а форма магнітних силових ліній складна, то магнітний потік доведеться визначити як інтеграл вектора магнітної індукції B з даної поверхні:

Φm = ∫ B ∙ d s

Цей вислів показує, що будь-який пристрій для вимірювання магнітного потоку в реальних умовах повинно містити механічний або електронний інтегратор. Пристрої для вимірювання магнітного потоку і конструкцію інтеграторів ми розглянемо нижче.

Магнітний потік зручний для опису впливу магнітних сил на об'єкти, розташовані в заданому обсязі, наприклад, трансформатори, електричні генератори або соленоїди. Магнітний потік використовують інженери-електрики для виконання розрахунків систем з електромагнітами і генераторами, а також фізики, які розробляють конструкції прискорювачів елементарних частинок. Відзначимо, що по теоремі Гаусса для магнітної індукції потік вектора магнітної індукції через будь-яку замкнену поверхню, наприклад, сферу, завжди нульовий:

Φm = ∯ B ∙ d s = 0

Відзначимо також, що для обчислення магнітного потоку можна використовувати ділянку поверхні будь-якого розміру, орієнтованої щодо магнітного поля довільним чином. Якщо магнітні силові лінії цього поля перетинають ділянку поверхні під кутом, то тільки частина магнітного поля утворює магнітний потік через цю ділянку поверхні. У розрахунок магнітного потоку включається тільки складова, перпендикулярна до даної ділянки поверхні.

В системі СІ магнітний потік вимірюється в Вебера (Вб) або в вольтах в секунду (В ∙ с); в системі СГС магнітний потік вимірюється в Максвелл (Мкс). 1 Вб = 10⁸ Мкс.

Історія

Зліва направо: Фелікс Савар, Жан-Батист Біо, Андре-Марі Ампер, Ханс Крістіан Ерстед

Основні відкриття, пов'язані з електромагнетизмом, відбулися в першій половині XIX століття. Розуміння взаємозв'язку між електрикою і магнетизмом пов'язано з роботами датського фізика Ганса Християна Ерстеда, який виявив, що електричний струм призводить до виникнення магнітного поля. Під час читання лекції в Університеті Копенгагена в 1819 він виявив, що стрілка компаса реагує на включення і виключення електричного струму, що протікає по розташованому поруч з компасом проводу.

Пізніше, в 1820 р французький фізик Андре-Марі Ампер виявив, що два паралельних провідника, по яких протікає постійний електричний струм, відштовхуються або притягуються в залежності від напрямку протікання струму. Для кращого розуміння цього явища він використовував математику. Результат цієї роботи тепер називають законом Ампера. У найбільш відомому прикладі, що ілюструє закон Ампера, паралельні провідники з електричними струмами притягаються або відштовхуються з силою, пропорційною їх довжині і величиною протікає в них струму.

Приблизно в той же час, в 1820 році Жан-Баптист Біо і Фелікс Савар відкрили закон, який зараз називають законом Біо-Савара (або законом Біо-Савара-Лапласа). Він описує зв'язок між магнітною індукцією, напрямком протікання струму в провіднику, відстанню до цього провідника і його довжиною.

Зліва направо: Майкл Фарадей, Карл Фрідріх Гаус, Джеймс Клерк Максвелл

Важливий внесок у дослідження електромагнетизму вніс англійський учений Майкл Фарадей. У 1821 р він винайшов уніполярний електродвигун - перший пристрій, що перетворював електричну енергію в круговий рух. Пізніше він відкрив взаємну індукцію, використовуючи для свого досвіду дві котушки з ізольованого проводу, намотані на залізне кільце. Це пристрій було дуже схоже на сучасний тороидальний трансформатор. Коли включався ток в одній котушці, в іншій спостерігався короткочасний стрибок струму. Пізніше Фарадей виявив, що якщо всередину котушки або поруч з нею помістити магніт, в котушці з'являвся електричний струм. Таким чином було виявлено, що змінюється магнітне поле призводить до утворення електричного поля.

При проведенні експериментів в 1831 Фарадей винайшов уніполярний генератор, який, не дивлячись на її низьку ефективність, був прообразом сучасних генераторів і першим пристроєм, що перетворює механічну енергію в електричний струм. Уніполярний генератор продемонстрував можливість вироблення електроенергії за допомогою явищ магнетизму.

У 1831 р Майкл Фарадей сформулював основний закон електродинаміки, що описує освіту електрорушійної сили в провіднику, що знаходиться в змінюваному магнітному полі. Закон стверджує, що для будь-якого контуру, що знаходиться в змінюваному магнітному полі, індукована електрорушійна сила (ЕРС) дорівнює швидкості зміни проходить через цей контур магнітного потоку, взято зі знаком мінус.

У 1835 р німецький математик Карл Фрідріх Гаус сформулював теорему Гаусса (також відому як законом Гаусса), що описує залежність напруженості електричного поля від величини електричного заряду. Закон був опублікований в 1867 р вже після смерті математика.

рівняння Максвелла

В середині 60-х рр. XIX століття шотландський учений в галузі математичної фізики Джеймс Клерк Максвелл вивчав взаємозв'язок між електрикою і магнетизмом. Під час роботи в Королівському коледжі Лондона він створив теорію електромагнітного поля, представлену в математичній формі у вигляді 20 диференціальних рівнянь. Перша публікація цієї теорії з'явилася в роботі «Про фізичні силові лінії» в березні 1861 р Рівняння Максвелла описують поведінку електричних і магнітних полів і їх взаємодія з середовищем, в якій діють ці поля. Пізніше Максвелл розрахував швидкість поширення електромагнітного поля і зрозумів, що світло і магнетизм мають єдину природу і що світло є електромагнітним полем.

Теорія електромагнетизму продовжує розвиватися і зараз, в XXI столітті. Протягом декількох останніх десятиліть була розроблена Стандартна модель, що описує взаємодію всіх елементарних частинок. Вона заснована на теорії калібрувальних полів, вперше встановленої в класичній електродинаміці, що описує взаємодію електромагнітних полів з мають заряд тілами. Потім з'явилася теорія електрослабкої полів, що описує слабке і електромагнітне взаємодія між частинками. І нарешті, протягом другої половини XX століття була розроблена Стандартна модель фізики елементарних частинок. Ця теорія описує електромагнітне, сильне і слабке ядерні взаємодії, а також дає повну класифікацію всіх елементарних частинок, тобто, мікрооб'єктів суб'ядерними масштабу, які за сучасними уявленнями неможливо розщепити на складові частини. Відкриття дослідниками ЦЕРНу в 2012 р бозона Хіггса, постулированного британським фізиком Пітером Хіггсом майже півстоліття тому, в 1964 р, завершило експериментальне виявлення всіх елементарних частинок, передбачених Стандартною моделлю. Як ми бачимо, електромагнетизм займає важливе місце у всіх цих теоріях.

Вимірювання магнітного потоку

Флюксметр Грассо

Прилад, що використовується для вимірювання магнітного потоку, називається флюксметра. Принцип дії флюксметра заснований на законі магнітної індукції в інтегральній формі. Перші флюксметри були механічними. Класичний флюксметр був різновид балістичного гальванометра, в якому керуючий момент був дуже малий, в той час як електродинамічне демпфірування - дуже великим. Підвіска вимірювальної рамки приладу була влаштована таким чином, що повертає сила дорівнювала нулю. Вимірювальна котушка містилася в змінюється магнітне поле і флюксметр визначав зміна напруги в котушці, яке було пропорційним швидкості зміни магнітного потоку. Інтегрування здійснювалося механічно за рахунок високої інерційності приладу. Саме таким флюксметра користувався Вільгельм Едуард Вебер під час дослідження напрямку магнітного поля Землі. Аналогічні флюксметри використовувалися і на флоті для вимірювання магнітного поля кораблів з метою контролю їх розмагнічування.

Сучасний флюксметр складається з вимірювальних котушок і електроніки, яка оцінює зміну напруги в котушці з подальшим його інтеграцією, розраховуючи таким чином магнітний потік. Для вимірювання магнітного потоку необхідно інтегрування напруги вимірювальної котушки протягом часу вимірювання. Таке інтегрування напруги, знятого з вимірювальної котушки, здійснюється або за допомогою аналогового інтегратора (зазвичай використовується інтегруючий операційний підсилювач), або за допомогою аналого-цифрового інтегратора або мікропроцесора, здійснює чисельне інтегрування. У аналого-цифровому інтеграторі аналоговий сигнал перетвориться в цифровий і інтегрується цифровим сумматором. Повністю цифровий інтегратор може бути побудований програмно на основі мікропроцесора в вимірювальному приладі.

Інтегруючий операційний підсилювач і флюксметр з вимірювальними кільцями Гельмгольца

Вимірювальна котушка флюксметра може бути стаціонарної або рухомий. Для отримання надійних результатів важливо, щоб каркас котушки мав хорошу механічну жорсткість і малий коефіцієнт теплового розширення. Високу стабільність і повторюваність результатів забезпечує правильна намотування котушки. Використовувані в електронних флюксметра котушки бувають точковими, лінійними, площинними і котушками для вимірювання гармонійних складових. Всі котушки повинні бути відкалібровані, так як основний внесок в похибку вимірювань вносять саме котушки з неправильно визначеною чутливістю. Для калібрування котушок застосовують постійні магніти з відомими властивостями.

Точкові котушки використовуються для вимірювання магнітного потоку в певній точці простору. Вони зазвичай намотуються на невеликому осерді. Такі котушки часто мають форму кулі. Лінійні котушки призначені для вимірювання інтегрованого магнітного потоку уздовж прямої лінії. Їх ширина набагато менше довжини. Лінійні котушки зазвичай охоплюють лише невелику зону вимірюваного простору. Площинні котушки призначені для вимірювання великих зон вимірюваного простору. Довгі прямокутні котушки часто використовуються при вимірах в прискорювачах елементарних частинок. Для вимірювання вкладу в загальний магнітний потік тільки окремих гармонік використовуються «гармонійні» котушки. Для цього їм надають особливу форму або з'єднують кілька різних котушок, розташованих в потрібних точках вимірюваного простору.

Для вимірювання зміни магнітного потоку за допомогою однієї або декількох вимірювальних котушок використовують різні методи. При вимірі котушку можуть переміщувати із зони, де є поле, в зону, де поле нульове. Іншим методом є відключення поля в процесі вимірювання. При використанні ще одного методу котушку повертають і вимір повторюють.

Для вимірювання за допомогою електронного флюксметра, наприклад, магнітного потоку постійного магніту для контролю якості в процесі виробництва магнітів, виконується наведена нижче послідовність дій.

• До входу флюксметра підключається вимірювальна котушка.
• Після включення приладу і вибору діапазону вимірювань виконується контроль рівня дрейфу. Зазвичай через дрейф нульові показання підтримуються лише кілька хвилин, після чого потрібно заново налаштовувати прилад.
• Позитивне вимір. При порожній вимірювальній котушці натиснути кнопку скидання, потім помістити в котушку магніт так, щоб його північний полюс був вгорі. Записати виміряне значення.
• Негативне вимір. Спочатку помістити магніт в вимірювальну котушку північним полюсом вгору. Натиснути кнопку скидання, витягти магніт з котушки і віднести на досить велику відстань від неї. Вважати і записати виміряне значення.
• Розрахувати середнє значення двох вимірів.
• Магнітна плівка-визуализатор дозволяє спостерігати стаціонарні або повільно змінюються магнітні поля

У трифазному асинхронному двигуні змінного струму обмотки статора створюють обертове магнітне поле, яке індукує електричний струм в короткозамкненим роторі, також створює магнітне поле. Момент, що обертає виходить внаслідок взаємодії магнітних полів ротора і статора

Автор статті: Анатолій Золотков

Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.