Измерение магнитных величин

Электрические и магнитные измерения находятся в тесной связи друг с другом из-за единства электрических и магнитных явлений. Посредством магнитных измерений решается ряд задач, к которым относятся исследование магнитных свойств веществ и материалов, контроль качества магнитных материалов и изделий из них в производственных условиях, испытание постоянных магнитов и электромагнитов и измерение полей, создаваемых ими, а также изучение физических свойств материалов по их магнитным характеристикам.

Магнитные характеристики принято разделять на статические и динамические. Статические характеристики магнитных материалов определяют в постоянных магнитных полях, а динамические характеристики измеряют в переменных магнитных полях. Динамические характеристики зависят не только от свойств образца, но и от частоты магнитного поля, формы поля, а также от формы и размеров исследуемого объекта.

Магнитный поток можно измерить с помощью баллистического гальванометра. Метод измерения основан на определении количества электричества в импульсе тока, наводимого в измерительной катушке при изменении потокосцепления. Для измерения магнитного потока катушка с известным числом витков 0)_х подключается к баллистическому гальванометру через резистор Ид (рис. 2.13) и затем быстро удаляется из поля или вносится в него.

Рис. 2.13. Баллистический гальванометр

Изменение потока, сцепленного с катушкой, вызывает в ней ЭДС равную

которая определяет ток.

где Rf ( и R_r — соответственно сопротивления катушки и гальванометра.

Изменение количества электричества связано с изменением потока с!Ф следующим образом где.

Интегрируя последнее уравнение, получаем выражение для количества электричества в импульсе тока, определяемое путем изменения потока от Ф до 0, то есть при удалении катушки из поля, которое запишется как.

Измерение индукции постоянного магнитного поля можно провести с использованием явления ядерного магнитного резонанса. Если на ядра какого-либо вещества одновременно воздействовать постоянным и переменным высокочастотным магнитными полями, то при определенном соотношении между индукцией постоянного поля В и частотой переменного поля / наступает режим резонансного поглощения энергии ядрами этого вещества. Ядро атома может иметь определенное число ориентаций во внешнем магнитном поле. Для ядра атома водорода таких возможных ориентации две, а именно, по направлению поля и против поля. Этим двум состояниям соответствует определенная разность энергий, которая равна

где [I — магнитный момент ядра атома. Кроме того, для переориентации ядра атома из направления по полю в противоположное направление необходим квант энергии.

где h — универсальная постоянная Планка. Отсюда следует, что.

и

где у — гиромагнитное отношение равное 2,67 512×10⁸ [1/Тл х с].

Структурная схема установки для определения индукции постоянного магнитного поля приведена на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Измерение индукции с использованием ядерного магнитного резонанса

В измеряемое магнитное поле помещается катушка колебательного контура генератора, внутри которой находится стеклянная ампула с рабочим веществом, содержащим ядра водорода или ядра других элементов, например лития и дейтерия. В качестве рабочих веществ применяют воду или водный раствор хлористого лития.

Для определения момента резонанса изменяют частоту колебаний генератора и ведут поиск резонансного сигнала с помощью электронно-лучевого осциллографа. Усилитель У предназначен для увеличения амплитуды сигнала. Резонансная частота определяется частотомером Ч.

Метод применим для измерения индукции однородных магнитных полей с погрешностью до 0,01%.

Определение магнитной индукции также можно произвести с использованием эффекта Холла. Эффект Холла состоит в появлении ЭДС между противоположными сторонами пластинки из металла или полупроводникового материала, если через пластинку пропустить ток и поместить ее при этом в магнитное поле. Направления тока, вектора магнитной индукции и ЭДС Холла взаимно перпендикулярны.

Магнитная индукция В, ток / и ЭДС Холла Е_х связаны между собой следующим образом.

где R_x — постоянная Холла, a d — толщина пластинки. Отсюда магнитная индукция равна

Основными достоинствами преобразователей Холла являются пропорциональность ЭДС Холла индукции, небольшие размеры и масса, а также возможность их использования для измерения как постоянных, так и переменных полей до частот порядка 10¹² Гц. К недостаткам таких преобразователей относится зависимость постоянной Холла от температуры.