Principis de mesura de camps magnètics, instruments per mesurar paràmetres de camps magnètics

Les primeres brúixoles magnètiques que indicaven direccions cap als pols magnètics de la Terra van aparèixer al segle III aC a la Xina. Es tractava d'aparells en forma de cullerots rodons de mànec curt fets de mineral de ferro magnètic.

La cullera es col·locava amb la seva part convexa sobre una superfície llisa de coure o fusta, sobre la qual es dibuixaven divisions amb imatges dels signes del zodíac, indicant els punts cardinals. Per activar la brúixola, es va prémer lleugerament la cullera i va començar a girar. Finalment, quan la cullera es va aturar, el seu mànec es va apuntar a la dreta cap al pol magnètic sud de la terra.

Des del segle XII, les brúixoles van ser utilitzades activament pels viatgers a Europa. Es van instal·lar tant en vaixells de transport terrestre com marítims per determinar la desviació magnètica.

A partir de finals del segle XVIII, els fenòmens magnètics van esdevenir objecte d'estudi acurat per als científics d'aquella època. Pendant el 1785 va proposar un mètode per quantificar la força del camp magnètic terrestre. El 1832Gauss va mostrar la possibilitat de determinar el valor absolut de la intensitat del camp magnètic mitjançant mesures més precises.

La connexió entre els fenòmens magnètics i els efectes de la força observats durant el moviment de les càrregues elèctriques es va establir per primera vegada el 1820 per Oersted. Maxwell escriuria més tard aquesta relació en forma racional: en forma d'equacions matemàtiques (1873):

Fins ara, s'utilitza la següent tècnica per mesurar els paràmetres del camp magnètic:

• teslàmetres: dispositius per mesurar els valors de la força H o la inducció del camp magnètic B;

• webmetres — instruments per mesurar la magnitud del flux magnètic Ф;

• Gradiòmetres: dispositius per mesurar deshomogeneïtats del camp magnètic.

també existeixen:

• aparells per mesurar el moment magnètic M;

• instruments per mesurar la direcció del vector B;

• Instruments per mesurar constants magnètiques de diversos materials.

Vector d'inducció magnètica B caracteritza la intensitat de l'acció lateral forta camp magnètic (al pol o al corrent) i és per tant la seva característica principal en un punt determinat de l'espai.

Així, el camp magnètic objecte d'estudi pot interactuar fortament amb un imant o amb un element de corrent, i també és capaç d'induir una EMF d'inducció al circuit si el camp magnètic que penetra el circuit canvia amb el temps o si el circuit canvia de posició és relatiu a el camp magnètic.

Un element portador de corrent de longitud dl en un camp magnètic d'inducció B actuarà sobre una força F, el valor de la qual es pot trobar mitjançant la fórmula següent:

Per tant, la inducció B del camp magnètic estudiat es pot trobar per la força F, que actua sobre un conductor d'una determinada longitud l, amb un corrent continu d'un valor conegut I, col·locat en aquest camp magnètic.

A la pràctica, les mesures magnètiques es realitzen convenientment utilitzant una quantitat anomenada moment magnètic. El moment magnètic Pm caracteritza el contorn de la regió S amb el corrent I, i la magnitud del moment magnètic es determina de la següent manera:

Si s'utilitza una bobina amb N espires, el seu moment magnètic serà igual a:

El moment mecànic M de la força d'interacció magnètica es pot trobar a partir dels valors del moment magnètic Pm i la inducció del camp magnètic B de la següent manera:

Tanmateix, per mesurar un camp magnètic, no sempre és convenient utilitzar les seves manifestacions de força mecànica. Afortunadament, hi ha un altre fenomen amb el qual pots comptar. Aquest és el fenomen de la inducció electromagnètica. La llei de la inducció electromagnètica en forma matemàtica s'escriu de la següent manera:

Així, el camp magnètic es manifesta com a forces o EMF induïdes. En aquest cas, la pròpia font del camp magnètic, com se sap, és un corrent elèctric.

Si es coneix el corrent que genera el camp magnètic en un punt determinat de l'espai, es pot trobar la intensitat del camp magnètic en aquest punt (a una distància r de l'element actual). utilitzant la llei de Biot-Savart-Laplace:

Cal tenir en compte que la inducció magnètica B en el buit està relacionada amb la intensitat del camp magnètic H (generat pel corrent corresponent) per la següent relació:

La constant magnètica del buit en el sistema SI es defineix en amperes.Per a un medi arbitrari, aquesta constant és la relació entre la inducció magnètica en un medi donat i la inducció magnètica en el buit, i aquesta constant s'anomena permeabilitat magnètica del medi:

La permeabilitat magnètica de l'aire pràcticament coincideix amb la permeabilitat magnètica del buit; per tant, per a l'aire, la inducció magnètica B és pràcticament idèntica a la tensió del camp magnètic H.

Unitat per mesurar la inducció magnètica al NE — Tesla [T], en el sistema CGS — Gauss [G], i 1 T = 10000 G. Els dispositius de mesura per determinar la inducció de camp magnètic s'anomenen teslàmetres.

La intensitat del camp magnètic H es mesura en amperes per metre (A/m), 1 ampere/metre es defineix com la intensitat del camp magnètic d'un solenoide de longitud infinita de densitat de volta unitària quan hi passa un corrent de solenoide d'1 ampere. Un ampere per metre es pot definir d'una altra manera: és la força del camp magnètic al centre d'un circuit circular amb un corrent d'1 ampere amb un diàmetre de bucle d'1 metre.

Aquí val la pena assenyalar un valor com el flux magnètic d'inducció — F. Aquesta és una magnitud escalar, al sistema SI es mesura a Webers, i al sistema CGS — a Maxwells, amb 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber és un flux magnètic de tal magnitud que quan disminueix a zero, una càrrega d'1 coulomb passarà per un circuit conductor amb una resistència d'1 ohm connectada a ell.

Si prenem el flux magnètic F com a valor inicial, aleshores la inducció del camp magnètic B no serà més que la densitat del flux magnètic. Els dispositius per mesurar el flux magnètic s'anomenen webmetres.

Hem observat anteriorment que la inducció magnètica es pot determinar per la força (o pel moment mecànic) o per la FEM induïda al circuit. Es tracta de les anomenades conversions de mesura directe, on el flux magnètic o inducció magnètica s'expressa per una altra magnitud física (força, càrrega, moment, diferència de potencial) que està relacionada únicament amb la magnitud magnètica mitjançant una llei física bàsica.

Les transformacions on la inducció magnètica B o el flux magnètic F passa pel corrent I o la longitud l o el radi r s'anomenen transformacions inverses. Aquestes transformacions es porten a terme sobre la base de la llei de Biot-Savart-Laplace, utilitzant la relació coneguda entre la inducció magnètica B i la força del camp magnètic H.