Princípy merania magnetických polí, prístroje na meranie parametrov magnetického poľa

Prvé magnetické kompasy označujúce smery k magnetickým pólom Zeme sa objavili v treťom storočí pred naším letopočtom v Číne. Išlo o zariadenia v podobe okrúhlych naberačiek s krátkou násadou z magnetickej železnej rudy.

Lyžica bola svojou konvexnou časťou umiestnená na hladkom medenom alebo drevenom povrchu, na ktorom boli nakreslené delenia s obrázkami znamení zverokruhu, ktoré označujú svetové strany. Na aktiváciu kompasu sa lyžica ľahko stlačila a začala sa otáčať. Nakoniec, keď sa lyžica zastavila, jej rukoväť bola nasmerovaná presne smerom k južnému magnetickému pólu zeme.

Od dvanásteho storočia boli kompasy aktívne používané cestujúcimi v Európe. Boli inštalované na pozemné dopravné aj námorné plavidlá na určenie magnetickej odchýlky.

Od konca osemnásteho storočia sa magnetické javy stali predmetom starostlivého štúdia vtedajších vedcov. Pendant v roku 1785 navrhol metódu na kvantifikáciu sily magnetického poľa Zeme. V roku 1832Gauss ukázal možnosť určiť absolútnu hodnotu intenzity magnetického poľa presnejšími meraniami.

Súvislosť medzi magnetickými javmi a silovými účinkami pozorovanými počas pohybu elektrických nábojov bola prvýkrát založená v roku 1820 Oerstedom. Maxwell neskôr napísal tento vzťah v racionálnej forme - vo forme matematických rovníc (1873):

Doteraz sa na meranie parametrov magnetického poľa používa nasledujúca technika:

• teslametre - zariadenia na meranie hodnôt sily H alebo indukcie magnetického poľa B;

• webmetre — prístroje na meranie veľkosti magnetického toku Ф;

• gradiometre — prístroje na meranie nehomogenít magnetického poľa.

existujú aj:

• zariadenia na meranie magnetického momentu M;

• prístroje na meranie smeru vektora B;

• prístroje na meranie magnetických konštánt rôznych materiálov.

Vektor magnetickej indukcie B charakterizuje intenzitu silného vedľajšieho účinku magnetické pole (k pólu alebo k prúdu) a je teda jeho hlavnou charakteristikou v danom bode priestoru.

Študované magnetické pole teda môže silne interagovať buď s magnetom, alebo s prúdovým prvkom a je tiež schopné indukovať indukčné EMF v obvode, ak sa magnetické pole prenikajúce do obvodu časom zmení alebo ak obvod zmení polohu vzhľadom na magnetické pole.

Na prúdový prvok dĺžky dl v magnetickom poli indukcie B bude pôsobiť sila F, ktorej hodnotu zistíme podľa vzorca:

Indukciu B skúmaného magnetického poľa teda možno nájsť silou F, ktorá pôsobí na vodič danej dĺžky l jednosmerným prúdom známej hodnoty I, umiestnený v tomto magnetickom poli.

V praxi sa magnetické merania pohodlne vykonávajú pomocou veličiny nazývanej magnetický moment. Magnetický moment Pm charakterizuje obrys oblasti S s prúdom I a veľkosť magnetického momentu sa určí takto:

Ak sa použije cievka s N závitmi, jej magnetický moment sa bude rovnať:

Mechanický moment M magnetickej interakčnej sily možno nájsť na základe hodnôt magnetického momentu Pm a indukcie magnetického poľa B takto:

Na meranie magnetického poľa však nie je vždy vhodné použiť jeho prejavy mechanickej sily. Našťastie je tu ešte jeden fenomén, na ktorý sa môžete spoľahnúť. Ide o fenomén elektromagnetickej indukcie. Zákon elektromagnetickej indukcie v matematickej forme je napísaný takto:

Magnetické pole sa teda prejavuje ako sily alebo indukované EMP. V tomto prípade je zdrojom samotného magnetického poľa, ako je známe, elektrický prúd.

Ak je známy prúd generujúci magnetické pole v danom bode v priestore, potom je možné nájsť silu magnetického poľa v tomto bode (vo vzdialenosti r od prvku prúdu). pomocou Biot-Savart-Laplaceovho zákona:

Je potrebné poznamenať, že magnetická indukcia B vo vákuu súvisí so silou magnetického poľa H (vytvorenou zodpovedajúcim prúdom) podľa nasledujúceho vzťahu:

Magnetická konštanta vákua v sústave SI je definovaná v ampéroch.Pre ľubovoľné médium je táto konštanta pomerom magnetickej indukcie v danom prostredí k magnetickej indukcii vo vákuu a táto konštanta sa nazýva magnetická permeabilita média:

Magnetická permeabilita vzduchu sa prakticky zhoduje s magnetickou permeabilitou vákua; preto je pre vzduch magnetická indukcia B prakticky totožná so stresom magnetického poľa H.

Jednotka na meranie magnetickej indukcie v NE — Tesla [T], v sústave CGS — Gauss [G], a 1 T = 10000 G. Meracie zariadenia na určenie indukcie magnetického poľa sa nazývajú teslametre.

Intenzita magnetického poľa H sa meria v ampéroch na meter (A/m), pričom 1 ampér/meter je definovaný ako intenzita magnetického poľa solenoidu nekonečnej dĺžky s jednotkovou hustotou závitu, keď ním preteká 1 ampérový solenoidový prúd. Jeden ampér na meter možno definovať aj inak: je to sila magnetického poľa v strede kruhového obvodu s prúdom 1 ampér s priemerom slučky 1 meter.

Tu stojí za zmienku taká hodnota, ako je magnetický tok indukcie - F. Toto je skalárne množstvo, v systéme SI sa meria vo Webers a v systéme CGS - v Maxwells, s 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber je magnetický tok takej veľkosti, že keď klesne na nulu, cez vodivý obvod s pripojeným odporom 1 Ohm prejde 1-coulombový náboj.

Ak vezmeme magnetický tok F ako počiatočnú hodnotu, potom indukcia magnetického poľa B nebude nič iné ako hustota magnetického toku. Zariadenia na meranie magnetického toku sa nazývajú webmetre.

Vyššie sme uviedli, že magnetická indukcia môže byť určená buď silou (alebo mechanickým momentom) alebo EMF indukovaným v obvode. Ide o takzvané prevody priameho merania, kde je magnetický tok alebo magnetická indukcia vyjadrená inou fyzikálnou veličinou (sila, náboj, moment, rozdiel potenciálov), ktorá je jednoznačne spojená s magnetickou veličinou pomocou základného fyzikálneho zákona.

Transformácie, kde magnetická indukcia B alebo magnetický tok F prechádza prúdom I alebo dĺžkou l alebo polomerom r, sa nazývajú spätné transformácie. Takéto transformácie sa uskutočňujú na základe Biot-Savart-Laplaceovho zákona s použitím známeho vzťahu medzi magnetickou indukciou B a silou magnetického poľa H.