หลักการวัดสนามแม่เหล็ก เครื่องมือวัดพารามิเตอร์สนามแม่เหล็ก

เข็มทิศแม่เหล็กเครื่องแรกที่ใช้ระบุทิศทางไปยังขั้วแม่เหล็กโลกปรากฏขึ้นในจีนเมื่อศตวรรษที่ 3 ก่อนคริสต์ศักราช เหล่านี้เป็นอุปกรณ์ในรูปแบบของกระบวยด้ามสั้นที่ทำจากแร่เหล็กแม่เหล็ก

ช้อนถูกวางโดยมีส่วนนูนบนพื้นผิวทองแดงหรือไม้ที่เรียบซึ่งมีการวาดส่วนต่างๆด้วยภาพสัญลักษณ์ของจักรราศีซึ่งระบุจุดสำคัญ ในการเปิดใช้งานเข็มทิศ ให้กดช้อนเบาๆ และเริ่มหมุน ในที่สุด เมื่อช้อนหยุดลง ด้ามจับก็ชี้ไปทางขวา ไปทางขั้วแม่เหล็กใต้ของโลก.

ตั้งแต่ศตวรรษที่สิบสองนักเดินทางในยุโรปใช้เข็มทิศอย่างแข็งขัน มีการติดตั้งทั้งบนการขนส่งทางบกและเรือเดินทะเลเพื่อกำหนดความเบี่ยงเบนของสนามแม่เหล็ก

จากปลายศตวรรษที่ 18 ปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กกลายเป็นเป้าหมายของการศึกษาอย่างรอบคอบสำหรับนักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้น จี้ในปี ค.ศ. 1785 ได้เสนอวิธีการวัดความแรงของสนามแม่เหล็กโลก ในปี 1832เกาส์แสดงความเป็นไปได้ในการกำหนดค่าสัมบูรณ์ของความแรงของสนามแม่เหล็กผ่านการวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้น

ความเชื่อมโยงระหว่างปรากฏการณ์แม่เหล็กและผลกระทบของแรงที่สังเกตได้ระหว่างการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2363 โดย Oersted ภายหลังแมกซ์เวลล์จะเขียนความสัมพันธ์นี้ในรูปแบบเหตุผล— ในรูปของสมการทางคณิตศาสตร์ (1873):

จนถึงปัจจุบัน เทคนิคต่อไปนี้ใช้ในการวัดค่าพารามิเตอร์ของสนามแม่เหล็ก:

• เทสลามิเตอร์ — อุปกรณ์สำหรับวัดค่าของแรง H หรือการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก B

• เว็บมิเตอร์ — เครื่องมือสำหรับวัดขนาดของฟลักซ์แม่เหล็ก Ф

• Gradiometers — อุปกรณ์สำหรับการวัดความไม่สม่ำเสมอของสนามแม่เหล็ก

ยังมีอยู่:

• อุปกรณ์สำหรับวัดช่วงเวลาแม่เหล็ก M;

• เครื่องมือวัดทิศทางของเวกเตอร์ B

• เครื่องมือวัดค่าคงที่แม่เหล็กของวัสดุต่างๆ

เวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B แสดงลักษณะความรุนแรงของการกระทำด้านที่รุนแรง สนามแม่เหล็ก (ไปยังขั้วหรือกระแส) และดังนั้นจึงเป็นลักษณะสำคัญ ณ จุดที่กำหนดในอวกาศ

ดังนั้น สนามแม่เหล็กภายใต้การศึกษาสามารถโต้ตอบอย่างรุนแรงกับแม่เหล็กหรือองค์ประกอบกระแสไฟฟ้า และยังสามารถเหนี่ยวนำ EMF เหนี่ยวนำในวงจรได้หากสนามแม่เหล็กที่ทะลุผ่านวงจรมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา หรือหากวงจรเปลี่ยนตำแหน่งสัมพันธ์กับ สนามแม่เหล็ก

องค์ประกอบที่มีกระแสซึ่งมีความยาว dl ในสนามแม่เหล็กของการเหนี่ยวนำ B จะถูกกระทำโดยแรง F ซึ่งหาค่าได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

ดังนั้น การเหนี่ยวนำ B ของสนามแม่เหล็กที่ศึกษาสามารถหาได้จากแรง F ซึ่งกระทำกับตัวนำที่มีความยาว l ที่กำหนดด้วยกระแสตรงที่มีค่า I ที่ทราบ วางอยู่ในสนามแม่เหล็กนี้

ในทางปฏิบัติ การวัดค่าแม่เหล็กสามารถทำได้อย่างสะดวกโดยใช้ปริมาณที่เรียกว่าโมเมนต์แม่เหล็ก โมเมนต์แม่เหล็ก Pm แสดงลักษณะรูปร่างของภูมิภาค S ด้วย I ปัจจุบัน และขนาดของโมเมนต์แม่เหล็กถูกกำหนดดังนี้:

หากใช้ขดลวดที่มี N รอบ โมเมนต์แม่เหล็กจะเท่ากับ:

โมเมนต์เชิงกล M ของแรงอันตรกิริยาแม่เหล็กสามารถหาได้จากค่าของโมเมนต์แม่เหล็ก Pm และการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก B ดังนี้

อย่างไรก็ตามในการวัดสนามแม่เหล็ก ไม่สะดวกเสมอไปที่จะใช้การแสดงออกของแรงทางกล โชคดีที่มีปรากฏการณ์อื่นที่คุณสามารถวางใจได้ นี่คือปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า กฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปแบบทางคณิตศาสตร์เขียนได้ดังนี้

ดังนั้น สนามแม่เหล็กจึงแสดงออกเป็นแรงหรือแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในกรณีนี้แหล่งที่มาของสนามแม่เหล็กนั้นก็คือกระแสไฟฟ้า

หากทราบกระแสที่สร้างสนามแม่เหล็ก ณ จุดที่กำหนดในอวกาศ ก็จะสามารถหาความแรงของสนามแม่เหล็ก ณ จุดนั้น (ที่ระยะ r จากองค์ประกอบปัจจุบัน) โดยใช้กฎ Biot-Savart-Laplace:

ควรสังเกตว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B ในสุญญากาศนั้นสัมพันธ์กับความแรงของสนามแม่เหล็ก H (สร้างโดยกระแสที่สอดคล้องกัน) ตามความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

ค่าคงที่แม่เหล็กสุญญากาศในระบบ SI ถูกกำหนดเป็นแอมแปร์สำหรับตัวกลางตามอำเภอใจ ค่าคงที่นี้คืออัตราส่วนของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กในตัวกลางที่กำหนดต่อการเหนี่ยวนำแม่เหล็กในสุญญากาศ และค่าคงที่นี้เรียกว่า การซึมผ่านของแม่เหล็กของตัวกลาง:

การซึมผ่านของแม่เหล็กของอากาศนั้นสอดคล้องกับการซึมผ่านของแม่เหล็กของสุญญากาศ ดังนั้น สำหรับอากาศ การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B จึงเหมือนกับความเค้นของสนามแม่เหล็ก H

หน่วยวัดการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ใน NE — เทสลา [T] ในระบบ CGS — เกาส์ [G] และ 1 T = 10,000 G อุปกรณ์วัดสำหรับการกำหนดการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กเรียกว่า เทสลามิเตอร์

ความแรงของสนามแม่เหล็ก H วัดเป็นแอมแปร์ต่อเมตร (A/m) 1 แอมแปร์/เมตรถูกกำหนดให้เป็นความแรงของสนามแม่เหล็กของโซลินอยด์ที่มีความยาวไม่สิ้นสุดของความหนาแน่นของการหมุนหน่วยเมื่อกระแสโซลินอยด์ 1 แอมแปร์ไหลผ่าน หนึ่งแอมแปร์ต่อเมตรสามารถกำหนดได้อีกวิธีหนึ่ง: มันคือความแรงของสนามแม่เหล็กที่ศูนย์กลางของวงจรวงกลมที่มีกระแส 1 แอมแปร์โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางของวง 1 เมตร

ที่นี่เป็นมูลค่าการสังเกตค่าเช่นฟลักซ์แม่เหล็กของการเหนี่ยวนำ - F นี่คือปริมาณสเกลาร์ในระบบ SI วัดใน Webers และในระบบ CGS - ใน Maxwells โดย 1 μs = 0.00000001 Wb 1 เวเบอร์เป็นฟลักซ์แม่เหล็กที่มีขนาดดังกล่าวซึ่งเมื่อลดลงถึงศูนย์ ประจุ 1 คูลอมบ์จะผ่านวงจรตัวนำที่มีความต้านทาน 1 โอห์มเชื่อมต่ออยู่

หากเราใช้ฟลักซ์แม่เหล็ก F เป็นค่าเริ่มต้น การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก B จะไม่มีอะไรมากไปกว่าความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก อุปกรณ์สำหรับวัดฟลักซ์แม่เหล็กเรียกว่าเว็บมิเตอร์

เราระบุไว้ข้างต้นว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสามารถกำหนดได้จากแรง (หรือโมเมนต์เชิงกล) หรือโดย EMF ที่เหนี่ยวนำในวงจร สิ่งเหล่านี้เรียกว่าการแปลงการวัดโดยตรง ซึ่งฟลักซ์แม่เหล็กหรือการเหนี่ยวนำแม่เหล็กแสดงโดยปริมาณทางกายภาพอื่น (แรง ประจุ โมเมนต์ ความต่างศักย์) ที่เกี่ยวข้องโดยเฉพาะกับปริมาณแม่เหล็กโดยใช้กฎพื้นฐานทางกายภาพ

การแปลงที่การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B หรือฟลักซ์แม่เหล็ก F ผ่านกระแส I หรือความยาว l หรือรัศมี r เรียกว่าการแปลงย้อนกลับ การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวดำเนินการบนพื้นฐานของกฎหมาย Biot-Savart-Laplace โดยใช้ความสัมพันธ์ที่ทราบระหว่างการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก B และความแรงของสนามแม่เหล็ก H