Измерение напряженность магнитного поля прибором

Описание

Принцип действия измерителя ИМП-6 основан на эффекте Холла.

Конструктивно измеритель ИМП-6 собран в одном корпусе, на верхней панели которого расположены жидкокристаллический индикатор, светодиод (сдвоенный двухцветный) индикации превышения заданного уровня, светодиод индикации разряда батареи, кнопка включения.

На боковой поверхности расположен переключатель подключения компенсирующего датчика (для работы в режиме компенсации однородных полей), а также имеется отверстие, в котором «под шлиц» выведен регулятор для настройки порога срабатывания светодиодов индикации превышения заданного уровня.

Батарейный отсек встроен внутрь и становится доступен после снятия нижней крышки прибора.

Датчики Холла размещены в цилиндрическом канале, неразъемно-соединенном с

корпусом измерителя ИМП-6.

Особенностью преобразователя является то, что с целью исключения влияния однородного поля Земли в его корпусе встроены два датчика Холла, расположенных вблизи

переднего (рабочий датчик) и заднего конца (датчик, компенсирующий поле Земли) цилиндрического канала.

Расстояние между датчиками — 90 мм.

Компенсирующий датчик может подключаться (режим компенсации однородных полей) и отключаться (режим прямых измерений).

Для удобства практического применения, в частности считывания с жидкокристаллического индикатора и восприятия показаний, прибор проградуирован в ед. А/см.

По устойчивости к температуре и влажности окружающего воздуха измеритель ИМП-6 относится к группе 4 согласно ГОСТ 22261.

Свойства магнита

Имеющего форму стержня, наиболее четко проявляются на его концах. При подвешивании его за середину в свободном положении по горизонтальной плоскости, произойдет занятие такого положения, при котором будет соблюдаться приблизительное направление с севера на юг. Концы стержня имеют и соответствующие названия северного и южного полюса. У двух одинаковых магнитов полюса с разными наименованиями притягиваются друг к другу, а одноименные, наоборот, отталкиваются.

Если к магниту поднести обычное, ненамагниченное железо, оно на определенное время приобретает магнитные свойства с образованием полюсов. Отдельные материалы, такие как сталь, могут приобрести слабые свойства постоянных магнитов.

Притяжение металлических предметов на расстоянии, объясняется наличием в пространстве возле любого магнита определенных значений полей. Концы магнитов обладают наибольшей интенсивностью магнитного поля.

Физические свойства и основные характеристики

Из явления электромагнитной индукции известно, что при всяком изменении магнитного потока, охватываемого замкнутым проводником, в проводнике возникает индукционный ток, т.е. движение электрических зарядов. Но заряды могут двигаться под действием электрического поля: следовательно, изменение магнитного поля порождает электрическое поле.

В отличие от электрического поля, создаваемого неподвижными зарядами, силовые линии электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля, замкнуты. Такое поле называют вихревым. 

Чем быстрее изменяется со временем магнитное поле, т. е. чем больше ΔΦ/Δt, тем больше напряженность возникающего электрического поля. 

Когда речь идет об изменении магнитного потока, то подразумевается либо его увеличение, либо уменьшение со временем. Если ΔΦ=0, электрическое поле не возникает. Чтобы выяснить, порождает ли меняющееся электрическое поле магнитное, рассмотрим схему:

Между параллельными металлическими дисками установки на горизонтальных осях смонтированы магнитные стрелки. Диски расположены перпендикулярно индукции магнитного поля Земли. При замыкании цепи между дисками появляется электрическое поле. В момент появления электрического поля стрелки поворачивается так же, как при прохождении по проводнику электрического тока. 

Затем они возвращаются в исходное состояние. Если теперь разомкнуть цепь, то никакого воздействия на стрелки оказано не будет, так как несмотря на оставшиеся на дисках заряды, электрическое поле не меняется. Но при замыкании дисков проводом заряды нейтрализуются, электрическое поле исчезает. В момент исчезновения электрического поля стрелки вновь стремятся повернуться, но в другую сторону.

Таким образом, при изменении электрического поля со временем появляется магнитное поле. Так же, как магнитное поле, создаваемое электрическим током, оно будет вихревым (линии магнитной индукции замкнуты). 

Одной из задач электродинамики является изучение свойств электромагнитного поля. 

В частности, к электромагнитным волнам относится свет. Человечество широко использует электромагнитные волны, передавая теле- и радиосигналы. 

Магнитное поле прямолинейного тока

Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружностей совпадает с осью проводника.

Если ток идет вверх, то силовые линии направлены против часовой стрелки. Если вниз, то они направлены по часовой стрелке. Их направление можно определить с помощью правила буравчика или правила правой руки:

Правило буравчика (правой руки)

Если большой палец правой руки, отклоненный на 90 градусов, направить в сторону тока в проводнике, то остальные 4 пальца покажут направление линий магнитной индукции.

Модуль вектора магнитной индукции на расстоянии r от оси проводника:

B = μ μ 0 I 2 π r . .

Магнитное поле кругового тока

Силовые линии представляют собой окружности, опоясывающие круговой ток. Вектор магнитной индукции в центре витка направлен вверх, если ток идет против часовой стрелки, и вниз, если по часовой стрелке.

Определить направление силовых линий магнитного поля витка с током можно также с помощью правила правой руки:

Если расположить четыре пальца правой руки по направлению тока в витке, то отклоненный на 90 градусов большой палец, покажет направление вектора магнитной индукции.

Модуль вектора магнитной индукции в центре витка, радиус которого равен R:

Модуль напряженности в центре витка:

Пример №2. На рисунке изображен проволочный виток, по которому течет электрический ток в направлении, указанном стрелкой. Виток расположен в вертикальной плоскости. Точка А находится на горизонтальной прямой, проходящей через центр витка. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо) вектор магнитной индукции магнитного поля в точке А?

Если мысленно обхватить виток так, чтобы четыре пальца правой руки были бы направлены в сторону тока, то отклоненный на 90 градусов большой палец правой руки показал бы, что вектор магнитной индукции в точке А направлен вправо.

Вектор магнитной индукции

Вектор магнитной индукции — силовая характеристика магнитного поля. Она определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся в поле с определенной скоростью. Обозначается как → B . Единица измерения — Тесла (Тл).

За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила, равна 1 Н. 1 Н/(А∙м) = 1 Тл.

Модуль вектора магнитной индукции — физическая величина, равная отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока и длины проводника:

B = F A m a x I l . .

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор магнитной индукции в данной точке поля.

Особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Поэтому магнитное поле — вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобным электрическим, в природе нет.

Прибор для проверки качества магнитных порошков и суспензий МФ-10СП

Прибор для проверки качества магнитных порошков и суспензий МФ-10СП предназначен для количественной оценки чувствительности магнитного порошка и суспензии применяемых при магнитопорошковом методе неразрушающего контроля изделий.

При проведении неразрушающего контроля магнитопорошковым методом экономически выгодно использовать магнитные порошки и суспензии несколько раз. Но при этом в порошок или суспензию попадают частицы грязи и ржавчины, а часть магнитного порошка оседает на объекте контроля, что уменьшает концентрацию порошка в суспензии. В результате воздействия всех этих факторов чувствительность магнитного порошка уменьшается вплоть до значения, при котором не происходит выявления дефектов.

Работа схемы и программы

Схема устройства представлена на следующем рисунке.

Жидкокристаллический (ЖК) дисплей 16×2 использует 16 контактов для своей работы в случае если нужен черный цвет. Если черный цвет не нужен, то достаточно 14 контактов. В этом случае контакты черного цвета можно либо запитать, либо оставить их как есть. То есть из 14 контактов ЖК дисплея мы имеем 8 контактов для данных (7-14 или D0-D7), 2 контакта для подачи питания (1&2 или VSS&VDD или GND&+5v), 3-й контакт для управления контрастностью (VEE) – определяет насколько «толстыми» будут выглядеть символы на экране, и 3 управляющих контакта (RS&RW&E).

На представленной схеме мы использовали только 2 управляющих контактах ЖК дисплея – это позволяет лучше понять логику работы схемы начинающим. Контакт для управления контрастностью и READ/WRITE сравнительно редко используются и в нашем случае их можно замкнуть на землю. Это переводит ЖК дисплей в режим чтения и обеспечивает ему максимальную контрастность. Поэтому нам нужно только управлять состоянием контактов ENABLE и RS чтобы передавать символы и данные на ЖК дисплей.

В схеме необходимо сделать следующие соединения с ЖК дисплеем:
PIN1 или VSS – на землю
PIN2 или VDD или VCC – к источнику питания +5 В
PIN3 или VEE – на землю (обеспечивает наилучшую контрастность – лучше для начинающих)
PIN4 или RS (выбор регистра) – к контакту PIN8 ARDUINO UNO
PIN5 или RW (Read/Write) – на землю (переводит ЖК дисплей в режим чтения, что упрощает взаимодействие с ним для начинающих)
PIN6 или E (Enable — доступность) к контакту PIN9 ARDUINO UNO
PIN11 или D4 – к контакту PIN10 ARDUINO UNO
PIN12 или D5 – к контакту PIN11 ARDUINO UNO
PIN13 или D6 – к контакту PIN12 ARDUINO UNO
PIN14 или D7 – к контакту PIN13 ARDUINO UNO

ARDUINO IDE позволяет пользователю использовать ЖК дисплей в 4 битном режиме. Этот режим позволяет уменьшить число используемых контактов ARDUINO. 4-битный режим взаимодействия с ЖК дисплеем предусмотрен для ARDUINO по умолчанию, поэтому нет необходимости предпринимать какие либо действия чтобы его включить. В представленной схеме можно увидеть, что мы использовали 4-битный режим (D4-D7). То есть у нас с ARDUINO соединено 6 контактов ЖК дисплея: 4 контакта для передачи данных и 2 контакта для управления.

Чтобы задействовать АЦП в Arduino Uno необходимо сделать следующие вещи:

Плата Arduino Uno по умолчанию имеет опорное напряжение АЦП равное 5 В. То есть максимальное входное напряжение для АЦП будет равно 5 В. Но поскольку некоторые датчики обеспечивают на своем выходе напряжение в диапазоне 0-2.5 В, то в этом случае если мы будем использовать опорное напряжение АЦП 5 В, то мы потеряем в точности преобразования. Поэтому в Arduino предусмотрена специальная команда для изменения опорного напряжения АЦП (“analogReference();”.

Максимальная разрешающая способность (разрешение) АЦП платы Arduino составляет 10 бит, изменить его можно с помощью команды “analogReadResolution(bits);”. Эта функция может быть полезна в некоторых случаях, например, когда нужно увеличить скорость аналого-цифрового преобразования.

Теперь, если все установки работы с АЦП выполнены, мы можем непосредственно считать значение с выхода АЦП с помощью функции “analogRead(pin);”, где “pin” обозначает номер контакта, с которого мы будем считывать аналоговый сигнал. В нашем случае это будет контакт “A0”. Значение с выхода АЦП можно сразу присвоить переменной целого типа (integer) с помощью команды “int ADCVALUE = analogRead(A0);”.

Для взаимодействия с ЖК дисплеем прежде всего необходимо подключить библиотеку для работы с ним с помощью инструкции ‘#include <LiquidCrystal.h>’. Эта библиотека сразу по умолчанию включает 4-битный режим взаимодействия с ЖК дисплеем.

После этого необходимо сообщить Arduino тип подключаемого ЖК дисплея. ЖК дисплеи бывают различных типов, например 20×4, 16×2, 16×1 и т.д. В нашем случае мы будем подключать к Arduino ЖК дисплей 16×2, поэтому нам необходимо использовать инструкцию ‘lcd.begin(16, 2);’.

Далее плате Arduino необходимо сообщить, к каким ее контактам мы подключили ЖК дисплей. В соответствии с представленной схемой нам необходимо использовать команду LiquidCrystal lcd(8, 9, 10, 11, 12, 13), которая сообщит Arduino что ЖК дисплей подключен к ее контактам 8, 9, 10, 11, 12 и 13.

После выполнения всех этих действий можно приступать к передаче данных на ЖК дисплей.

Индукционный метод

Он основан на эффекте возникновения ЭДС в витках электромагнитной катушки при изменении магнитного потока Ф, который сцепляется с ним, как это показано ниже:

Аналитическая зависимость будет иметь вид:

Где: w – число витков в катушке, ψ – потокосцепление.

Если магнитный поле будет однородно, то поток магнитный Ф будет связан с магнитной индукцией В следующим выражением – Ф = Вs, где s – представляет собой площадь сечения катушки.

Если среда, в которой происходит такое явление воздушная, то индукция магнитная В будет связана с напряженностью магнитного поля H такой зависимостью: В = μ0Н, где μ0 – магнитная постоянная для воздушной среды.

Можно сделать вывод, что индукционный метод позволяет определить напряженность магнитного поля, магнитный поток и индукцию магнитную:

Приборы, которые измеряют магнитный поток, называют веберметрами.

Простейшая схема такого устройства показана ниже:

Она состоит из индукционной катушки, обозначенной на схеме (Wк) и интегрирующего устройства ИУ. Магнитоэлектрические гальванометры, без устройств противодействующего момента, зачастую используют в качестве интегрирующих устройств ИУ. Если катушку измерительного устройства подносить или удалять от магнитного поля, то отклонения измерительного механизма будет пропорционально магнитному потоку и определятся зависимостью:

Где: α – угол отклонения стрелки прибора, Wк – количество витков в катушке измерительной, Сф – цена деления веберметра.

Например, веберметры типа М199 и М1119 имеют цену деления 5*10-6 и 10-4 Вб/дел, а основная их погрешность лежит в пределах ±1,5%.

Как измерить магнитное поле?

Вследствие того, что магнитное поле это векторная величина, для ее описания нужно знать две характеристики: силу и направление. Направление измерить легче. Например, использовать компас, стрелка которого совпадает с линиями поля в данной точке. Компасы начали использовать в X-XI веках.

Измерить силу, намного сложнее. Приборы, способные измерить магнитную силу (магнитометры), начали применяться только в XIX веке. Основной принцип работы такого прибора– использование силы, которую испытывает электрон, движущийся в магнитном поле. В системе СИ магнитное поле выражается в теслах ( T ) (T) (T).

Определение теслы

Это единица измерения индукции магнитного поля, равная индукции однородного магнитного поля, в котором на 1 метр прямого проводника, перпендикулярного вектору магнитной индукции, с током силой 1 ампер действует сила 1 ньютон.

Иными словами, тесла показывает сколько силы приложено к движущемуся заряду вследствие действия поля. Альтернативная единица измерения магнитного поля — гаусс ( Г с ) (Гс) (Гс). 1 T = 1 0 4 Г с 1~T = 10^4 ~Гс 1 T=104 Гс. Гаусс чаще используется, так как 1 Тесла — чрезвычайно большое поле.

В уравнениях величина магнитного поля обозначается символом B B B, но также можно заметить, что применяется другая величина H H H. Обе величины имеют одинаковые единицы, но H H H учитывает влияние плотности магнитных полей магнитными материалами. Для большинства задач, в которых расчеты происходят в вакууме, достаточно величины B B B.

Магнитометр ИМАГ-400Ц

Измеритель напряженности магнитного поля ИМАГ-400Ц используется для контроля режимов намагничивания в процессе магнитопорошковой дефектоскопии и других магнитных измерений. Магнитометр имеет два режима работы: импульсный и непрерывный. В импульсном режиме измеряется максимальное значение однократного импульса поля (0,2–88 мТл). В непрерывном — величина постоянного поля или амплитудное значение напряженности переменного и пульсирующего поля (2-700 А/см). Максимальное значение напряжённости или индукции поля отображается на дисплее в единицах по выбору пользователя.

Современные компоненты, высокая точность и качество сборки делают данную модель одной из самых популярных у российских специалистов НК.  Магнитометр ИМАГ-400Ц внесен в Госреестр средств измерения (№25588-09). Поверка магнитометра проводится по методике МП 12-261-2009. Межповерочный интервал — 1 год. Производство — Россия. Гарантия — 36 месяцев. Поставляется с поверкой. Принцип действия ИМАГ-400Ц основан на эффекте Холла. Конструктивно прибор состоит из электронного блока и преобразователя, соединенного с ним кабелем длиной 0,8 м.

Основные сведения о МИ ПКФ-21-071

Номер в реестре	ФР.1.34.2021.40662
Наименование	МИ ПКФ-21-071. Методика измерений напряженности магнитного поля измерителем индукции и индукции магнитного поля измерителем напряженности магнитного поля
Назначение	для гигиенической оценки магнитного поля на рабочих местах, в помещениях жилых и общественных зданий и на территории и в отдельных контрольных точках в среде, не имеющей намагниченности, в целях гигиенической оценки, специальной оценки условий труда, оценки соответствия, при инженерных изысканиях в строительстве, проведении НИОКР, контроле условий проведения измерений
Измеряемая величина	напряженность магнитного поля, индукция магнитного поля
No. свид-ва об аттестации	071-01.00279-2021
Дата свид-ва об аттестации	03.08.2021
Тип измерений	Электрические и магнитные измерения
Разработчик	ООО НПФ «ЭлектронДизайн»
Аттестующая организация	ООО «ПКФ Цифровые приборы»
Метод измерения	— измерение ИМП согласно руководству по эксплуатации П3-81 и пересчет результата в НМП; — измерение НМП согласно руководству по эксплуатации П3-80 с пересчетом результата в модуль ИМП; —  измерение НМП 50 Гц антеннами П6-70/П6-73 согласно методике измерений НМП частоты 50 Гц на рабочем месте, в помещениях жилых и общественных зданий и на территории МИ ПКФ 15-024 с пересчетом результата в модуль ИМП; —  измерение НМП 5-2000 Гц, 10-30 кГц, 2-400 кГц антеннами П6-70/П6-73 согласно методике измерений НМП в полосах частот 5 – 2000 Гц, 10 – 30 кГц, 2 – 400 кГц на рабочем месте МИ ПКФ-16-039  с пересчетом результата в модуль ИМП; — измерение НМП анализатором спектра Экофизика-110А согласно методике измерений напряженности электрического и магнитного полей с использованием анализаторов спектра Экофизика-110А МИ ПКФ 21-066 с  пересчетом результата в модуль ИМП.
Пределы измерения	Согласно приложению к свидетельству об аттестации
Показатели точности	Согласно приложению к свидетельству об аттестации
Условия получения	Авторизованная бумажная копия (счет можно запросить в отделе продаж или в учебном центре объединения «Октава-ЭлектронДизайн»).

Как измерить ЭМП

Вектором магнитной индукции B характеризуется интенсивность силового действия со стороны магнитного поля (на полюс или на ток), и поэтому является его главной характеристикой в данной точке пространства.

Значит, исследуемое магнитное поле может взаимодействовать силовым образом либо с магнитом, либо с элементом тока. Кроме того, оно способно наводить ЭДС индукции в контуре, если магнитное поле, пронизывающее контур, изменяется с течением времени, либо если контур изменяет свое положение относительно магнитного поля.

На элемент проводника с током длиной dl в магнитном поле с индукцией B будет действовать сила F, величина которой может быть найдена с помощью следующей формулы:

Значит, индукция B исследуемого магнитного поля может быть найдена по силе F, действующей на помещенный в это магнитное поле проводник заданной длины l с постоянным током известной величины I.

Магнитные измерения удобно проводить практически, используя величину, называемую магнитным моментом. Магнитный момент Pm характеризует контур площади S с током I, а величина магнитного момента определяется так:

ρm= I×S

Если используется катушка из N витков, то ее магнитный момент будет равен: 

ρm= I×N×S

Механический момент взаимодействия магнитных сил M можно найти, исходя из значений магнитного момента Pm и индукции магнитного поля B следующим образом:

Однако для измерения магнитного поля не всегда удобно пользоваться его механическими силовыми проявлениями. Есть еще одно явление, на которое можно опереться. Это явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции в математической форме записывается формулой:

Итак, магнитное поле проявляет себя силами либо наводимой ЭДС. При этом источником самого магнитного поля является электрический ток.

Если ток, порождающий магнитное поле в данной точке пространства известен, то напряженность магнитного поля в этой точке (на расстоянии r от элемента тока) можно найти с помощью закона Био-Савара-Лапласа:

Стоит отметить, что магнитная индукция B в вакууме связана с напряженностью магнитного поля H (порожденного соответствующим током) следующим соотношением: Β0=μ0H. 

Магнитная постоянная вакуума в системе СИ определяется через ампер. Для произвольной же среды данная константа есть отношение магнитной индукции в данной среде к магнитной индукции в вакууме, и называется магнитной проницаемостью среды: μ=B/B0. 

Магнитная проницаемость воздуха практически совпадает с магнитной проницаемостью вакуума, поэтому для воздуха магнитная индукция B практически тождественна напряженности магнитного поля H.

Единица измерения магнитной индукции в системе СИ — тесла , в системе СГС — Гаусс , причем 1 Тл = 10000 Гс. Измерительные приборы для определения индукции магнитного поля, называются тесламетрами. 

Напряженность H магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м), причем 1 ампер/метр задается как напряженность магнитного поля соленоида бесконечной длины с единичной плотностью витков при протекании по данному соленоиду тока в 1 ампер. Один ампер на метр можно определить и иначе: это напряженность магнитного поля в центре круглого витка с током в 1 ампер при диаметре витка в 1 метр.

Стоит отметить такую величину, как магнитный поток индукции — Ф. Это скалярная величина, в системе СИ она измеряется в веберах, а в системе СГС — в максвеллах, причем 1 мкс = 0,00000001 Вб. 1 Вебер — это магнитный поток такой величины, что при убывании его до нуля, по сцепленной с ним проводящей цепи сопротивлением 1 Ом, пройдет заряд в 1 Кулон.

Если принять за исходную величину магнитный поток Ф, то индукция магнитного поля B будет плотностью магнитного потока. Приборы для измерения магнитного потока называются веберметрами. 

Магнитная индукция может определяться либо через силу (или через механический момент), либо через наводимую в контуре ЭДС. Это так называемые прямые измерительные преобразования, при которых магнитный поток или магнитная индукция выражаются через другую физическую величину (силу, заряд, момент, разность потенциалов), однозначно связанную с магнитной величиной посредством фундаментального физического закона.

Преобразования, в которых магнитная индукция B или магнитный поток Ф находятся через ток I, длину l или радиус r, называются обратными преобразованиями. Такие преобразования выполняются с опорой на закон Био-Савара-Лапласа, с использованием известного соотношения между магнитной индукцией B и напряженностью магнитного поля H.

Определение магнитного поля

Магнитное поле определяется силой, с которой заряженная частица испытывает движение в этом поле, после того как мы учтем гравитационные и любые дополнительные электрические силы, воздействующие на заряд. Величина этой силы пропорциональна количеству заряда q, скорости заряженной частицы v и величине приложенного магнитного поля. Направление этой силы перпендикулярно как направлению движущейся заряженной частицы, так и направлению приложенного магнитного поля. Основываясь на этих наблюдениях, мы определяем напряженность магнитного поля B на основе магнитной силы \ на заряд q, движущийся со скоростью как векторное произведение скорости и магнитного поля, т. е.

\

Фактически, так мы определяем магнитное поле \  — с точки зрения силы, действующей на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Величина силы определяется из определения перекрестного произведения, поскольку оно связано с величинами каждого из векторов. Другими словами, величина силы удовлетворяет:

\

где θ — угол между скоростью и магнитным полем.

Понятие

Те́сла, единица магнитной индукции (В) в системе СИ, названа в честь физика Н. Теслы. Обозначается Тл.

1 Тл = 1 Н/(А.м)

Иногда используется меньшая единица, называемая гауссом (G), где \.

Что такое ЭМП, его виды и классификация

ЭМП состоит из двух составляющих: электрического поля, создаваемого электрическими зарядами заряженных частиц в пространстве, и магнитного поля, образующегося при движении электрических зарядов по проводнику.

Соответственно, электромагнитные поля можно разделить на два вида:

• статическое, то есть излучаемое заряженными телами (частицами) и неотъемлемое от них;
• динамическое, распространяющееся в пространстве, будучи оторванным от источника, излучившего его.

Динамическое электромагнитное поле в физике представляют в виде двух взаимно перпендикулярных волн: электрической (Е) и магнитной (Н).

Различают электромагнитные поля:

• высокой частоты;
• промышленной частоты (50 Гц);
• электростатические поля — электрическое поле неподвижных электрических зарядов либо стационарное электрическое поле постоянного тока;
• постоянные магнитные поля — генерируемые постоянным током.

Электромагнитные поля промышленной частоты (ЭМП ПЧ), являющиеся частью сверхнизкочастотного диапазона радиочастотного спектра, наиболее распространены как в производственных условиях, так и бытовых. Диапазон промышленной частоты представлен в России частотой 50 Гц (в ряде стран Американского континента — 60 Гц).

Основными источниками ЭМП ПЧ, создаваемыми в результате деятельности человека, являются различные типы производственного и бытового электрооборудования переменного тока.

Поскольку соответствующая частоте 50 Гц длина волны составляет 6000 км, человек подвергается воздействию фактора в ближней зоне. В связи с этим, гигиеническая оценка ЭМП ПЧ осуществляется раздельно по электрической и магнитной составляющим (ЭП и МП ПЧ).

Метод гальваномагнитных эффектов

Очень широкое применение из этих гальваномагнитных эффектов получил так называемый метод Холла.

Суть его заключается в следующем – если через пластину, которая состоит из полупроводника и находится в магнитном поле с индукцией В, пропустить какой – то ток I, то между точками Х – Х возникнет разность потенциалов Ех, которая носит название ЭДС Холла. Схема приведена ниже:

ЭДС Холла будет равна:

Где: Sп – чувствительность преобразователя при токе I.

Устройства, которые измеряют магнитную индукцию В называют тесламетрами.

Упрощенная схема такого прибора с преобразователем Холла (ПХ) показана ниже:

Преобразователь Холла запитуют переменным током через трансформатор ТР от генератора Г. Измеряют ЭДС Холла компенсационным методом . Напряжение компенсирующее Uк, снимают с резистора R1 и подают в противофазе с ЭДС Холла на сравнивающее устройство СУ. С помощью переменного резистора R производят градуировку сравнивающего устройства. Также питание датчика Холла и компенсационной цепи от одного источника напряжения позволяет исключить погрешность от нестабильной частоты и напряжения генератора.

По такой схеме работает тесламетр типа Ш1-8, который может измерять индукцию в диапазоне от 0,01 – 1,6 Тл. Основная погрешность этого устройства не превышает ±2%.

Также датчики Холла очень активно применяют в современных асинхронных электродвигателях с векторным управлением по потокосцеплению электрической машины.

Универсальный магнитометр МФ-34ФМ МАГНОСКАН

Универсальный магнитометр МФ-34ФМ МАГНОСКАН предназначен для измерения магнитного поля ферромагнитных изделий. Этот магнитометр является незаменимым средством контроля качества намагничевания/размагничивания изделий при проведении сварочных работ с использованием технологии электронной и электродуговой сварки, а также деталей при проведении неразрушающего контроля магнитным методом. Кроме того, магнитометр МФ-34ФМ может применяться при контроле методом магнитной памяти металла для выявления участков спонтанной намагниченности.

Универсальный магнитометр МФ-34ФМ может измерять напряженность (индукцию) и градиент напряженности постоянного магнитного поля, пиковое и среднеквадратичное значение напряженности переменного магнитного поля а также пиковое значение напряженности однократного импульса магнитного поля.

Закон Био-Савара-Лапласа

Главный закон магнитостатики, действие которого экспериментально было обнаружено в начале XIX века французскими учёными Био и Саваром, принял свою формулировку благодаря другому французскому исследователю маркизу де Лапласу. Именно он показал, что «магнитное поле любого тока может быть вычислено как векторная сумма (суперпозиция) полей, создаваемых отдельными элементарными участками тока». Аналогичный вывод несколько позже был сделан исходя из двух уравнений Максвелла, составляющих совместно с выражениями для силы Лоренца теоретическую основу классической электродинамики.

В обобщённом виде закон выглядит следующим образом:

Пользуясь системой единиц СИ, для вакуума получаем:

где I – ток; dl – вектор, совпадающий и сонаправленный с протекающим током, r – модуль радиус-вектора, направленный в точку определения dB, α – угол между dl и r.

Уравнение ЭМП

Идеи Фарадея были развиты английским физиком Дж. К. Максвеллом в стройную математическую теорию, из которой вытекала возможность волнового распространения электромагнитных процессов. При этом оказалось, что скорость их распространения равна скорости света (величина которой была уже известна из опытов).

Одно из уравнений Максвелла для вакуума.

Постоянное электрическое поле создают неподвижные относительно этого поля заряженные тела. Постоянное магнитное поле создают как постоянные магниты, так и постоянный электрический ток.

В произвольном месте поля выделим сферу или другой произвольный объем, и подсчитаем число силовых линий, входящих в объем и выходящих из него. Сравним поток вектора напряженности электрического поля N1 (или магнитный поток Φ1), входящий в выделенный объем, с потоком вектора напряженности N2 (или с магнитным потоком Φ2), выходящим из объема.

И в электрическом, и в магнитном поле можно найти области, в которых для выделенных объемов число входящих и выходящих линий одинаково, т.е: N1= N2, Φ1= Φ2

Особенность электрического поля, созданного неподвижными зарядами, в возможности выделить объем, где N1 не равно N2. Из рисунка видно, что N2 из объема V1 ≠ 0, N1=0. Принципиально данные объемы отличаются наличием внутри первого объема заряженного тела, на котором начинаются силовые линии. Если тело отрицательно заряжено, то силовые линии на нем кончатся. Математически это явление описано уравнением Максвелла для вакуума.

В магнитном поле не существует такого объема, при котором Φ1≠ Φ2. Это значит, что не существует «магнитных зарядов», аналогичных электрическим зарядам: магнитные линии индукции всегда замкнуты.

Из этого следует еще одно уравнение Максвелла.

Как уже известно, ε=Α/q.

Работа вихревого поля совершается при перемещении заряда вдоль замкнутого контура l, где напряженность электрического поля не равна нулю. Если этот контур можно разделить на малые прямолинейные элементы li, рассматривая их как перемещения по направлению обхода контура, то работа на каждом элементе будет равна:

Если контур — замкнутая кривая линия, то нужно перейти от суммы к интегралу

Учитывая, что первая часть выражения — циркуляция вектора Е по замкнутому контуру l, на основании закона Фарадея получим:

Это еще одно уравнение Максвелла. 

Согласно теории Максвелла магнитное поле создается не только токами, но и изменяющимся во времени электрическим полем, названный током смещения Ic.

Применяя теорему Гаусса для определения потока N напряженности через замкнутую поверхность, можно выразить ток смещения:

Первая часть уравнения — скорость изменения заряда на пластинах. Эта производная эквивалентно силе тока смещения Ic :

Если поток вектора напряженности электрического поля не меняется со временем, то ток смещения отсутствует.

Подставляя выражение для тока смещения в выражение изменяющегося электрического поля, получим еще одно уравнение Максвелла:

Полная система уравнений Максвелла для ЭМП выглядит следующим образом:

Определение и формула напряжённости магнитного поля

Вокруг постоянного магнита или проводника с протекающим по нему электрическим током всегда присутствует магнитное поле. Эта одна из форм существования электромагнитного поля, естественного или искусственного происхождения. Как и всякая физическая величина, она имеет свои характеристики, одной из которых выступает напряжённость магнитного поля.

Из курса физики известно, что напряжённость магнитного поля H – это векторная (не скалярная, то есть определённым образом направленная в пространстве) величина, являющейся геометрической разницей между векторами магнитной индукции B и вектором намагниченности M.

Небольшое пояснение. Магнитная индукция B – это силовая векторная характеристика магнитного поля в конкретной точке пространства, которая характеризует силу воздействия на электрический заряд определённой величины, движущийся в этом поле.

Намагниченность M – это векторный показатель, демонстрирующий магнитное состояние тела, являющегося источником возникшего магнитного поля. Формулы, описывающие величину напряжённости магнитного поля в разных системах единиц измерения, выглядят следующим образом:

В системе СИ (Международной системе единиц):

где μ – магнитная постоянная, равная 4π10 −7 Гн/м, или менее точно 1,2566370614 10 -6 Н/А 2 . Единицей измерения напряжённости здесь выступает ампер на метр. 1А/м = 4π/1000Э = 0,01256637Э.

В системе СГС (сантиметр-грамм-секунда):

Здесь единицей измерения служит эрстед (Э). 1Э = 1000/4πА/м = 79,5775 А/м. При этом надо в обязательном порядке учитывать, что намагниченность зависит от магнитной проницаемости среды следующим образом:

M = ((μ-1)/4πμ)B, где μ – магнитная проницаемость, составляющая:

• для диамагнетиков (стекло, медь, вода) – 0,99999;
• для парамагнетиков (алюминий, воздух, кислород) – 1,0000;
• для ферромагнетиков: никель – 1100; железо – 8000.