Меню

Методика измерения магнитных полей



Средства и методы измерения магнитных величин

Иногда, для решения технических задач или в исследовательских целях, возникает потребность в измерении магнитных величин. Безусловно, значение требуемой магнитной величины можно найти и косвенным путем, прибегнув к формулам с опорой на известные исходные данные. Однако, для получения наиболее точного значения магнитного потока Ф, магнитной индукции B или напряженности магнитного поля H лучше подойдет метод прямого измерения. Давайте же рассмотрим методы прямого измерения магнитных величин.

Принципиально метод измерения магнитной величины может быть основан на действии магнитного поля на ток или на проводник. Сила, вызываемая магнитным полем, связывается с электрическим процессом, и затем, посредством электроизмерительного прибора, получается значение измеряемой величины в удобном для человеческого восприятия виде.

Основных методов измерения магнитных величин два: индукционный и гальваномагнитный.

Первый основан на наведении ЭДС при изменении магнитного потока, второй — на действии магнитного поля на ток. Рассмотрим два этих метода по отдельности.

Метод электромагнитной индукции

Известно, что при пересечении витков катушки L магнитным потоком Ф (при изменении магнитного протока, пронизывающего контур) в проводе катушки индуцируется ЭДС (E), пропорциональная скорости изменения магнитного потока dФ/dt, то есть пропорциональная и его величине Ф. Данное явление описывается формулой:

При однородном магнитном поле магнитный поток Ф будет прямопропорционален магнитной индукции B, а коэффициентом пропорциональности будет площадь контура S, пронизываемого линиями магнитной индукции.

Далее — магнитная индукция B окажется прямопропорциональна напряженности магнитного поля H через магнитную постоянную μ0, если явление происходит в ваккууме, либо с учетом магнитной проницаемости среды — еще и через относительную магнитную проницаемость μ этой среды.

Так, индукционный метод позволяет найти значения: магнитного потока Ф, магнитной индукции B и напряженности магнитного поля H. Приборы для измерения магнитного потока называются веберметрами или флюксметрами (от flux – поток).

Веберметр состоит из индукционной катушки с заранее известными параметрами и интегрирующего устройства ИУ. Интегрирующее устройство представляет собой магнитоэлектрический гальванометр.

Если катушку веберметра вносить или выносить из пространства, где присутствует магнитное поле, то отклонение измерительного механизма веберметра (отклонение стрелки или изменение цифр на дисплее) будет пропорционально индукции B этого магнитного поля. Математическая зависимость легко описывается формулой:

Гальваномагнитный метод (метод Холла)

Общеизвестно, что на проводник с током, находящийся во внешнем магнитном поле, действует сила Ампера, а если рассмотреть процесс более щепетильно, то на движущиеся внутри проводника заряженные частицы действует сила Лоренца.

Так, если проводящую пластину поместить в магнитное поле, и пропустить через пластину постоянный или переменный электрический ток, то на краях пластины возникнет постоянная или переменная разность потенциалов. Эта разность потенциалов Ех называется ЭДС Холла.

Исходя из известных параметров пластины, зная ЭДС Холла, можно определить значение магнитной индукции B. Устройство, предназначенное для измерения магнитной индукции называется тесламетром.

Если преобразователь Холла (датчик Холла) запитать от одного источника, а затем подать компенсирующую разность потенциалов от второго источника, то можно компенсационным методом при помощи сравнивающего устройства определить ЭДС Холла.

Устройство довольно просто: компенсирующее напряжение, снимаемое с регулируемого резистора, подают в противофазе с ЭДС Холла, и так определяют значение ЭДС Холла. Когда компенсационная цепь и датчик Холла питаются от одного источника, то исключается погрешность, могущая возникнуть от нестабильности напряжения и частоты генератора.

Датчики Холла широко применяют в качестве датчиков положения ротора в электродвигателях и в других машинах, где можно получать сигнал от перемещающегося постоянного магнита или от намагничиваемого сердечника трансформатора. В частности, датчик Холла в некоторых применениях выступает своеобразной альтернативой измерительному трансформатору тока.

Источник

Средства и методы измерения магнитных величин

Иногда в процессе работы, научного исследования или простого любопытства возникает необходимость в определении магнитных величин. Их можно либо рассчитать по формулам, имея необходимые данные, или же произвести замер магнитной величины. В данной статью мы будем рассматривать измерение магнитных величин.

К магнитным величинам, как правило, относят напряженность магнитного поля H, поток магнитный Ф, а также величину магнитной индукции В.

Методику измерения магнитных величин основывают на преобразовании этих величин в электрические, и с помощью электроизмерительного прибора приводят к доступному для человеческого восприятия виду.

Наиболее широкое распространение получили два метода измерения – индукционный и гальваномагнитных эффектов. Разберем каждый в отдельности.

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 = μН, где μ – магнитная постоянная для воздушной среды.

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

Читайте также:  Проверка микрометрических приборов перед измерением

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%.

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.

Источник

Средства и методы измерения магнитных величин

Иногда, для решения технических задач или в исследовательских целях, возникает потребность в измерении магнитных величин. Безусловно, значение требуемой магнитной величины можно найти и косвенным путем, прибегнув к формулам с опорой на известные исходные данные. Однако, для получения наиболее точного значения магнитного потока Ф, магнитной индукции B или напряженности магнитного поля H лучше подойдет метод прямого измерения. Давайте же рассмотрим методы прямого измерения магнитных величин.

Принципиально метод измерения магнитной величины может быть основан на действии магнитного поля на ток или на проводник. Сила, вызываемая магнитным полем, связывается с электрическим процессом, и затем, посредством электроизмерительного прибора, получается значение измеряемой величины в удобном для человеческого восприятия виде.

Основных методов измерения магнитных величин два: индукционный и гальваномагнитный.

Первый основан на наведении ЭДС при изменении магнитного потока, второй — на действии магнитного поля на ток. Рассмотрим два этих метода по отдельности.

Метод электромагнитной индукции

Известно, что при пересечении витков катушки L магнитным потоком Ф (при изменении магнитного протока, пронизывающего контур) в проводе катушки индуцируется ЭДС (E), пропорциональная скорости изменения магнитного потока dФ/dt, то есть пропорциональная и его величине Ф. Данное явление описывается формулой:

При однородном магнитном поле магнитный поток Ф будет прямопропорционален магнитной индукции B, а коэффициентом пропорциональности будет площадь контура S, пронизываемого линиями магнитной индукции.

Далее — магнитная индукция B окажется прямопропорциональна напряженности магнитного поля H через магнитную постоянную μ0, если явление происходит в ваккууме, либо с учетом магнитной проницаемости среды — еще и через относительную магнитную проницаемость μ этой среды.

Так, индукционный метод позволяет найти значения: магнитного потока Ф, магнитной индукции B и напряженности магнитного поля H. Приборы для измерения магнитного потока называются веберметрами или флюксметрами (от flux – поток).

Веберметр состоит из индукционной катушки с заранее известными параметрами и интегрирующего устройства ИУ. Интегрирующее устройство представляет собой магнитоэлектрический гальванометр.

Если катушку веберметра вносить или выносить из пространства, где присутствует магнитное поле, то отклонение измерительного механизма веберметра (отклонение стрелки или изменение цифр на дисплее) будет пропорционально индукции B этого магнитного поля. Математическая зависимость легко описывается формулой:

Гальваномагнитный метод (метод Холла)

Общеизвестно, что на проводник с током, находящийся во внешнем магнитном поле, действует сила Ампера, а если рассмотреть процесс более щепетильно, то на движущиеся внутри проводника заряженные частицы действует сила Лоренца.

Так, если проводящую пластину поместить в магнитное поле, и пропустить через пластину постоянный или переменный электрический ток, то на краях пластины возникнет постоянная или переменная разность потенциалов. Эта разность потенциалов Ех называется ЭДС Холла.

Исходя из известных параметров пластины, зная ЭДС Холла, можно определить значение магнитной индукции B. Устройство, предназначенное для измерения магнитной индукции называется тесламетром.

Если преобразователь Холла (датчик Холла) запитать от одного источника, а затем подать компенсирующую разность потенциалов от второго источника, то можно компенсационным методом при помощи сравнивающего устройства определить ЭДС Холла.

Читайте также:  Чем измерить калибр нарезного оружия

Устройство довольно просто: компенсирующее напряжение, снимаемое с регулируемого резистора, подают в противофазе с ЭДС Холла, и так определяют значение ЭДС Холла. Когда компенсационная цепь и датчик Холла питаются от одного источника, то исключается погрешность, могущая возникнуть от нестабильности напряжения и частоты генератора.

Датчики Холла широко применяют в качестве датчиков положения ротора в электродвигателях и в других машинах, где можно получать сигнал от перемещающегося постоянного магнита или от намагничиваемого сердечника трансформатора. В частности, датчик Холла в некоторых применениях выступает своеобразной альтернативой измерительному трансформатору тока.

Источник

Методы расчета магнитных полей

Типов задач на расчет магнитных полей имеется очень много. Кроме задач на определение индуктивности контуров действующих в магнитном поле встречаются еще задачи на расчет магнитных полей в сложных ферромагнитных конструкциях, задачи на распределение токов в некотором объеме для получения магнитного поля заданной интенсивности и т. д.

Методы расчета магнитных полей можно разделить на аналитические, графические и экспериментальные.Методы расчета магнитных полей можно разделить на аналитические, графические и экспериментальные.Методы расчета магнитных полей можно разделить на:

В аналитических методах используется интегрирование уравнений Пуассона (для областей, где протекает ток), интегрирование уровней Лапласа (для областей, не занятых токами), метод зеркальных изображений и др. В случае сферической или цилиндрической симметрии используют формулы закона полного тока.

При наличии намагниченных сред задачи могут решаться с помощью как скалярных, так и векторных магнитных потенциалов. Если свободные токи лежат вне интересующего нас объема, лучше всего решать задачу с помощью скалярных потенциалов. В этом случае граничные условия выражаются через скалярный потенциал.

Для расчета магнитного поля в сплошных ферромагнитных средах применяется метод, основанный на подобии уравнений магнитного поля уравнениям постоянного тока в проводящей среде. Однако метод справедлив при одинаковых граничных условиях, что обычно не имеет места.

Действительно, в то время как электрическая проводимость пространства, окружающего проводники, равна нулю, для магнитного потока нет изоляторов и утечки потока параллельно отдельным элементам могут быть значительными. Погрешности получаются тем меньше, чем выше магнитная проницаемость магнитной цепи.

Несмотря на приближенность результатов, представление пути потока в виде магнитной цепи составляет основу проектирования электрических машин и аппаратуры, так как оно дает возможность проводить расчеты в тех случаях, когда решение задачи общими методами практически невозможно.

Осложнение в расчеты при наличии ферромагнитных веществ вносит нелинейная зависимость магнитной проницаемости от напряженности поля. Если известна эта зависимость, то задача решается методом последовательных приближений.

Сначала находят решение, предполагая значение проницаемости постоянным. Затем, определив проницаемость в разных точках магнитной цепи, решают задачу вновь с учетом поправок на значение магнитной проницаемости. Повторяют расчет, пока не будут получены допустимые отклонения значений напряженности магнитного поля или магнитной индукции от заданных.

Аналитические методы в силу трудностей математического характера позволяют решить весьма небольшой круг задач. В тех случаях, когда расчет поля аналитическими методами представляет затруднение, прибегают к графическому построению картины поля. Такой метод может быть применен для расчета двухмерных безвихревых полей.

В очень сложных случаях, особенно при пространственных полях, прибегают к опытному исследованию поля, заключающемуся в определении индукции в отдельных точках поля одним из методов измерения этой величины.

Применяется также моделирование полями тока в проводящей среде. Это моделирование основано на аналогии между полем в проводящей среде и безвихревым магнитным полем.

Наиболее простое качественное исследование магнитного поля осуществляют определением картины поля помощью стальных опилок, насыпанных на плоский лист из неферромагнитного материала, или с помощью порошков окисла железа, находящихся во взвешенном состоянии в какой-нибудь жидкости, например в керосине. Последний способ широко применяется для магнитной дефектоскопии стальных изделий.

В дальнейшем на сайте «Школа для электрика» мы рассмотрим несколько типовых задач расчета магнитных полей: расчет поля электромагнитного шара, находящегося в однородном магнитном поле в вакууме (в воздухе), способ применения для расчета магнитных полей метода зеркальных изображений, примеры с расчетами различных магнитных цепей. Для того чтобы не пропустить новые статьи подписывайтесь на наши странички в Facebook и в ВКонтакте.

Источник

Принципы измерения магнитных полей, приборы для измерения параметров магнитного поля

Первые магнитные компасы, указывающие направления на магнитные полюса Земли, появились еще в третьем веке до Нашей эры на территории Китая. Это были приборы в форме круглых разливательных ложек с короткими ручками, изготовленные из магнитного железняка.

Ложку ставили выпуклой частью на гладкую медную или деревянную поверхность, по которой вокруг были нанесены деления с изображениями знаков зодиака, обозначающие стороны света. Чтобы привести компас в действие, ложку слегка подталкивали, и она начинала вращаться. В конце концов, когда ложка останавливалась, ее ручка указывала точно на южный магнитный полюс Земли.

Начиная с двенадцатого века компасы активно начали применяться путешественниками в Европе. Их устанавливали как на сухопутном транспорте, так и на морских судах, с целью определения магнитного склонения.

Читайте также:  Самые точные тонометры для измерения давления автоматические рейтинг лучших

С конца восемнадцатого века магнитные явления стали объектом пристального внимания и изучения для ученых того времени. Кулон в 1785 году предложил метод количественной оценки напряженности магнитного поля Земли. В 1832 году Гаусс показал возможность определения абсолютного значения напряженности магнитного поля путем более точных измерений.

Связь между магнитными явлениями и силовыми эффектами, наблюдаемыми во время движения электрических зарядов, впервые в 1820 году установил Эрстед. Позже Максвелл запишет эту связь в рациональной форме — в форме математических уравнений (1873 год):

На сегодняшний день для измерения параметров магнитного поля применяется следующая техника:

тесламетры — приборы для измерения величин напряженности Н или индукции магнитного поля В;

веберметры — приборы для измерения величины магнитного потока Ф;

градиентометры — приборы для измерения неоднородностей магнитного поля.

приборы для измерения магнитного момента М;

приборы для измерения направления вектора В;

приборы для измерения магнитных постоянных различных материалов.

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

Таким образом, исследуемое магнитное поле может взаимодействовать силовым образом либо с магнитом, либо с элементом тока, а также способно наводить ЭДС индукции в контуре, если магнитное поле, пронизывающее контур, изменяется с течением времени, либо если контур изменяет сове 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, которая действует на проводник заданной длины l, с постоянным током известной величины I, помещенный в это магнитное поле.

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

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

Механический момент M силового магнитного взаимодействия может быть найден 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. Благо, есть еще одно явление, на которое можно опереться. Это явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции в математической форме записывается так:

Итак, магнитное поле проявляет себя силами либо наводимой ЭДС. При этом источником самого магнитного поля, как известно, 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:

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 эта константа магнитной проницаемостью среды:

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 [Тл], в системе СГС — Гаусс [Гс], 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.

Здесь же стоить отметить такую величину как магнитный поток индукции — Ф. Это — скалярная величина, в системе СИ она измеряемая 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 – это будет не что иное, как плотность магнитного потока. Приборы для измерения магнитного потока называются веберметрами.

Выше мы отметили, что магнитная индукция может быть определена 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) которая однозначно связана с магнитной величиной посредством фундаментального физического закона.

Преобразования же, где магнитная индукция B или магнитный поток Ф находятся через ток I либо 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.

Источник