Напряженность магнитного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Напряжённость магнитного поля

Напряжённость магнитного поля - одна из основных величин, характеризующих магнитное поле.

В системе СГС напряжённость магнитного поля измеряется в эрстедах (Э), в системе СИ -- в амперах на метр (А/м). В технике эрстед постепенно вытесняется единицей СИ -- ампером на метр.

1 Э = 1000/(4р) А/м ? 79,5775 А/м.

1 А/м = 4р/1000 Э ? 0,01256637 Э.

В вакууме (или в отсутствие среды, способной к магнитной поляризации, а также в случаях, когда последняя пренебрежима) напряжённость магнитного поля (Н) совпадает с вектором магнитной индукции (B) с точностью до коэффициента, равного 1 в СГС и м0 в СИ.

При этом надо иметь в виду, что более фундаментальной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B. Именно он определяет силу действия магнитного поля на движущиеся заряженные частицы и токи, а также может быть непосредственно измерен, в то время как напряжённость магнитного поля H можно рассматривать скорее как вспомогательную величину (хотя рассчитать её, по крайней мере, в статическом случае, проще, в чём и состоит её ценность: ведь H создают так называемые свободные токи, которые сравнительно легко непосредственно измерить, а трудно измеримые связанные токи -- то есть токи молекулярные и т. п. -- учитывать не надо).

Напряженность магнитного поля можно определить с помощью силы, которая действует на помещенный в поле пробный магнит. Так как магнитные полюсы не существуют по отдельности, на северный и южный полюсы пробного магнита действуют противоположно направленные силы, и возникает момент пары сил. Этот момент характеризует величину напряженности поля в данном месте.

В магнитном поле цилиндрической катушки он прямо пропорционален числу витков и силе тока и обратно пропорционален длине катушки. Направление вектора напряженности магнитного поля в каждой точке совпадает с направлением силовых линий. Внутри катушки (магнита) он направлен от южного полюса к северному, вне катушки -- от северного к южному.

То напряженность магнитного поля определяется формулой:

То напряженность магнитного поля определяется формулой:

То напряженность магнитного поля определяется формулой:

Приборы для измерения магнитного поля

Все магнитометры функционально можно разделить на две группы

- магнитометры для измерения внешних магнитных полей или иначе, полей, создаваемых объектами и магнитометры для исследования магнитных свойств вещества. Не смотря на то, что магнитометры, входящие в первую и вторую группы функционально различны и конструктивно отличаются друг от друга, в них могут быть применены одни и те же физические явления.

В связи с этим рассмотрим классификацию магнитометров, исходя из законов, лежащих в основе их работы. Их можно раз делить на пять основных групп:

· феррозондовые

· магнитоидуктивные

· магниторезисторные,

· квантовые,

· на эффекте Холла.

Феррозондовые магнитометры

Феррозондовые магнитометры были изобретены в начале тридцатых годов одновременно в России и Германии.

За основу работы феррозондового магнитометра взято изменение магнитных свойств ферромагнетика при изменении магнитного поля.

Известно, что при намагничивании и последующем перемагничивании ферромагнетика на графике

J = f ( H ), где

J - намагниченность ферромагнетика,

H - напряженность магнитного поля, образуется замкнутая фигура, которая получила название петли гистерезиса. На рисунке JS и при H = HS называется намагниченностью насыщения. Намагниченность +JR и -JR при H = 0 называется остаточной намагниченностью (что необходимо для создания постоянных магнитов).

Напряженность +HC и -HC магнитного поля, полностью размагниченного ферромагнетика, называется коэрцитивной силой. Она характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние.

Если на ферромагнитный стержень или кольцо намотать провод, такая обмотка называется обмоткой возбуждения, и пропустить через него переменный синусоидальный ток, то этот ток, создавая свое переменное поле будет перемагничивать ферромагнетик с частотой тока.

Однако если на стержень или кольцо намотать еще одну обмотку, которая называется измерительной обмоткой, то в этой обмотке будет индуцироваться ЭДС взаимоиндукции, так же, как это происходит в трансформаторе.

Рис. 3

При отсутствии внешнего магнитного поля, т.е. при симметричной относительно оси OН петли гистерезиса во вторичной обмотке наведется ЭДС без искажений (на рис. 4 обозначена буквой Ф).

Однако если будет присутствовать внешнее поле, то ось OН сместится вверх или вниз, в зависимости от направления вектора индукции внешнего поля, пропорционально величине этого поля. (На рис. 2 ось OH смещена вверх).

В этом случае при перемагничивании ферромагнетика током возбуждения, при той же амплитуде тока, ферромагнетик войдет в насыщение.

Соответственно положительная часть сигнала будет искажена, рис.5.

Это будет выглядеть на рисунке, как отсечение вершин синусоидального сигнала, хотя форма отрицательной части сигнала ЭДС не будет искажена. Соответственно, если вектор индукции внешнего магнитного поля будет направлен в противоположную сторону, это будет соответствовать на графике смещению оси OН вниз. В этом случае искаженной будет отрицательная часть ЭДС вторичной катушки. Величина искажения зависит от величины индукции внешнего магнитного поля. Таким образом, построив электронную схему, способную анализировать уровень искажений, пропорциональный внешнему магнитному полю, можно измерить его величину и определить направление вектора индукции измеряемого магнитного поля.

магнитомер магнитный поле напряженность

Феррозондовые магнитометры обладают большой чувствительностью, и стабильностью в работе, способны измерять поля до десятков нанотесла.

Впервые для проведения измерений в космосе трехкомпонентный феррозондовый магнитометр был установлен на борту космической станции Луна10. Позже усовершенствованными феррозондовыми магнитометрами были исследованы магнитные поля Марса и Венеры.

Магнитоиндуктивные магнитометры

Функциональная схема магнитоиндуктивного магнитометра показана на рис. 6 а. Основу магнитометра составляет стабильный высокодобротный колебательный контур, который входит в состав генератора. Сердечник катушки индуктивности контура сделан из ферромагнетика. Изменение напряженности внешнего магнитного поля приводит к пропорциональному изменению индуктивности катушки и соответственно к изменению частоты генератора, рис. 6б. Таким образом, измеряя частоту сигнала можно судить об индукции измеряемого магнитного поля.

Применение микропроцессорной техники позволяет автоматизировать процесс измерения магнитного поля.

Такие магнитометры используются в составе электронных компасов морских судов.

Магниторезисторные датчики

Название магнитных датчиков говорит само за себя. Резистивные элементы, являющиеся элементами чувствительными к магнитному полю, впервые описал известный английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1856 году, чуть позже Карл Фридрих Гаксс. Тем не менее, явление изменения электрического сопротивления материала в магнитном поле называют эффектом Гаусса. Эффект изменения сопротивления в поле связан с искривлением траектории движения носителей тока под действием силы Лоренца. Это приведет к уменьшению силы тока, т.е. увеличению сопротивления проводника.

У чистых металлов отношение изменения сопротивления к исходной величине сопротивления незначительно и составляет доли процента. У полупроводников оно больше. Например, у германия оно равно трем. Основным полупроводниковым материалом для изготовления магниторезисторов является антимонид индия - InSb и арсенид индия InAs.

Уменьшение сопротивления в магнитном поле наблюдается только в специальных сплавах металлов с примесями марганца, хрома, кобальта. Объяснение этим эффектам дал японский физик Дзюн Кондо в 1964 году, по имени которого назван эффект.

Для измерения поля из магниторезисторов строится схема измерительного моста, рис. 7. На рис.8 показана схема измерительного моста, сделанная на кремниевой пластине в виде интегрального чипа.

Все четыре включенных в мост магниторезистора изменяют свое сопротивление при изменении измеряемого магнитного поля.

При этом следует обратить внимание на то, что изменения сопротивлений в смежных плечах противоположны по знаку. При воздействии магнитного поля одной полярности изменение сопротивлений резисторов R1 и R3 происходит с одним знаком (минус), изменение сопротивлений резисторов R2 и R4 с противоположным знаком (плюс). Такая схема моста позволяет увеличить чувствительность магнитометра по крайней мере в два раза, при всех равных условиях. Далее выходной сигнал (напряжение разбалансировки моста) поступает на вход линейного усилителя и далее на электронную схему обработки измеряемого сигнала (на рисунке не показана).

В настоящее время магниторезисторные датчики производятся серийно рядом американских фирм в виде интегральных микросхем, например, мост серии KMZ10 рис. 7.

Отечественная электронная промышленность выпускает магниторезисторы типа МР и СМ сопротивлением от 50 до 200 Ом, мощностью 0,125 Вт и 0,25 Вт. Конструкции магнитометров, построенных на основе магниторезисторных датчиков весьма несложны и дешевы, а также просты в эксплуатации. Они нашли применение в приборах для измерения магнитного поля Земли, в т.ч. и навигационных приборах.

Квантовые магнитометры

Принцип работы квантовых магнитометров основан на квантовых свойствах заряженных частиц, взаимодействующих с магнитным полем. Одним из таких свойств является прецессия электронов в однородном постоянном магнитном поле, которую предсказал еще в 1895 году английский физик Джозеф Лармор.

Согласно его рассуждениям уравнения движения системы электронов в магнитном поле сохраняют свой вид, если считать, что система отсчета вращается вокруг направления вектора индукции магнитного поля вместе с электронами, рис. 9с частотой:

щL= еH / 2 mc,

где e и m - заряд и масса электрона,

H - напряженность магнитного поля,

с - скорость света.

На рис. 9 черная стрелка показывает направление вектора напряженности магнитного поля, а красная - направление вектора магнитного момента электронов.

Такое вращение вектора магнитного момента электрона вокруг вектора напряженности магнитного поля, подобно вращению волчка (гироскопа), получило название ларморовой прецессии.

Как оказалось позже, ларморова прецессия характерна не только для электронов, но и атомов, ядер атомов и протонов, т.е. заряженных частиц, находящихся в магнитном поле и имеющих вектор момента импульса. Ларморовская прецессия обусловлена действием силы Лоренца, действующей на заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле. Например, ларморовская частота протона в магнитном поле индукцией 1 Тл составляет 42 МГц.

В протонном магнитометре датчиком служит рабочее вещество, молекулы которого содержат атомы водорода, например, дистиллированную воду или бензол.

Рабочее вещество в ампуле ставится внутри обмотки индуктивностью L, на которую подается прямоугольный импульс тока, создающий магнитное поле величиной около H0 = 10 мТл, рис. 10.

В магнитном поле обмотки магнитные моменты протонов принимают одинаковую ориентацию и создают общий суммарный магнитный момент.

После окончания импульса протоны начинают прецессировать в измеряемом магнитном поле вокруг вектора напряженности H. Синхронная прецессия протонов с суммарным магнитным моментом индуцирует в той же обмотке переменную ЭДС, частота которой равна частоте прецессии протонов. По измеренной частоте, индуцированной в обмотке ЭДС, из формулы вычисляется величина индукции магнитного поля.

Следует отметить, что амплитуда ЭДС составляет десятые доли микровольт. В связи с этим предъявляются высокие требования к усилителю, который должен усилить сигнал в миллионы раз и при этом обладать очень низким уровнем собственных шумов и линейностью. Чувствительность протонных магнитометров может достигать десятых долей нанотесла. Протонные магнитометры нашли широкое применение, как в области космических исследований, так и в быту, в качестве металлоискателей.

Магнитометры на эффекте Холла

Эффект Холла заключается в следующем: если пластинку из полупроводникового материала поместить в магнитное поле, вектор индукции которого В перпендикулярен плоскости пластины, и пропустить по ней ток I, то на боковых гранях пластинки возникает разность потенциалов - ЭДС Холла Ех, направленная перпендикулярно векторам B и I

где RX - постоянная Холла, определяемая материалом пластинки (германий, мышьяковистый индий, сурмянистый индий и т. д.) и Д - толщина пластинки.

Из уравнения следует, что если I = const, то EX = f(B).

Приборы, использующие эффект Холла, применяются для измерения индукции как постоянных, так и переменных магнитных полей в широком диапазоне частот. При этом стараются получить ЭДС Холла переменной, чтобы можно было использовать в схеме прибора усилитель переменного тока. Для этого при измерении индукции постоянного поля через пластинку (преобразователь Холла) пропускают переменный ток, а при измерении индукции переменного поля - постоянный.

Преобразователь Холла обладает высокой чувствительностью, малыми габаритами и независимостью Ех от частоты в достаточно широких пределах (до Гц). К недостаткам преобразователя Холла следует в первую очередь отнести зависимость его параметров от температуры. Для уменьшения влияния температуры преобразователь Холла в некоторых приборах заключают в термостат.

С целью повышения точности измерения ЭДС Холла всегда измеряется компенсационным методом.

В качестве датчиков Холла обычно применяют легированные полупроводники с преобладанием заряда одного знака, например, монокристаллы арсенида индия - InAs, арсенида галлия - GaAs, антимонида индия - InSb.

Преимуществами датчиков Холла являются их малые размеры (1 мм2 и менее) и малая масса, в связи с этим и очень малая инерционность, что позволяет применять их на частотах до Гц.

Как правило, перед проведением измерений магнитного поля для установления линейной зависимости величины ЭДС Холла от индукции магнитного поля датчик Холла калибруют по эталонному значению индукции магнитного поля.

Размещено на Allbest.ru