Magnetväljade mõõtmise põhimõtted, instrumendid magnetvälja parameetrite mõõtmiseks

Esimesed magnetkompassid, mis näitavad suundi Maa magnetpoolustele, ilmusid Hiinas kolmandal sajandil eKr. Need olid seadmed lühikese varrega ümmarguste kulpide kujul, mis olid valmistatud magnetilisest rauamaagist.

Lusikas asetati oma kumera osaga siledale vask- või puitpinnale, millele joonistati põhipunkte tähistavad jaotised sodiaagimärkide kujutistega. Kompassi aktiveerimiseks vajutati lusikat kergelt ja see hakkas pöörlema. Lõpuks, kui lusikas peatus, oli selle käepide täpselt õige Maa lõuna magnetpooluse suunas.

Alates 12. sajandist kasutasid Euroopa reisijad aktiivselt kompasse. Magnethälbe määramiseks paigaldati need nii maismaatranspordi- kui ka merelaevadele.

Alates 18. sajandi lõpust said magnetnähtused tolleaegsete teadlaste hoolika uurimise objektiks. Ripats pakkus 1785. aastal välja meetodi Maa magnetvälja tugevuse kvantifitseerimiseks. Aastal 1832Gauss näitas magnetvälja tugevuse absoluutväärtuse määramise võimalust täpsemate mõõtmiste abil.

Seos magnetnähtuste ja elektrilaengute liikumisel täheldatud jõumõjude vahel tuvastas esmakordselt 1820. aastal Oersted. Maxwell kirjutas selle seose hiljem ratsionaalsel kujul - matemaatiliste võrrandite kujul (1873):

Praeguseks on magnetvälja parameetrite mõõtmiseks kasutatud järgmist tehnikat:

• teslameetrid - seadmed jõu H väärtuste või magnetvälja B induktsiooni mõõtmiseks;

• veebimeetrid — seadmed magnetvoo Ф suuruse mõõtmiseks;

• gradiomeetrid — seadmed magnetvälja ebahomogeensuse mõõtmiseks.

olemas ka:

• seadmed magnetmomendi M mõõtmiseks;

• instrumendid vektori B suuna mõõtmiseks;

• instrumendid erinevate materjalide magnetkonstantide mõõtmiseks.

Magnetilise induktsiooni vektor B iseloomustab tugeva kõrvaltegevuse intensiivsust magnetväli (pooluse või voolu külge) ja on seetõttu selle peamine omadus antud ruumipunktis.

Seega võib uuritav magnetväli interakteeruda tugevalt kas magneti või vooluelemendiga ning samuti on see võimeline indutseerima ahelas induktsioon-EMF-i, kui vooluringi tungiv magnetväli aja jooksul muutub või kui ahela asend muutub magnetväli.

Voolu kandvale elemendile pikkusega dl induktsiooni B magnetväljas mõjub jõud F, mille väärtuse saab leida järgmise valemi abil:

Seetõttu saab uuritava magnetvälja induktsiooni B leida sellesse magnetvälja asetatud jõu F abil, mis mõjub antud pikkusega l juhile teadaoleva väärtusega I alalisvooluga.

Praktikas tehakse magnetmõõtmisi mugavalt, kasutades suurust, mida nimetatakse magnetmomendiks. Magnetmoment Pm iseloomustab piirkonna S kontuuri vooluga I ja magnetmomendi suurus määratakse järgmiselt:

Kui kasutatakse N pöördega mähist, on selle magnetmoment võrdne:

Magnetinteraktsioonijõu mehaanilise momendi M saab magnetmomendi Pm ja magnetvälja induktsiooni B väärtuste põhjal leida järgmiselt:

Magnetvälja mõõtmiseks ei ole aga alati mugav kasutada selle mehaanilise jõu ilminguid. Õnneks on veel üks nähtus, millele võite loota. See on elektromagnetilise induktsiooni nähtus. Elektromagnetilise induktsiooni seadus matemaatilisel kujul on kirjutatud järgmiselt:

Seega avaldub magnetväli jõudude või indutseeritud EMF-ina. Sel juhul on magnetvälja enda allikaks, nagu teada, elektrivool.

Kui on teada antud ruumipunktis magnetvälja tekitav vool, siis on võimalik leida magnetvälja tugevus selles punktis (kaugusel r vooluelemendist). kasutades Biot-Savart-Laplace'i seadust:

Tuleb märkida, et magnetiline induktsioon B vaakumis on seotud magnetvälja tugevusega H (mis tekitab vastava voolu) järgmise seosega:

Vaakumi magnetkonstant SI-süsteemis on määratletud amprites.Suvalise keskkonna korral on see konstant antud keskkonnas magnetilise induktsiooni ja vaakumi magnetilise induktsiooni suhe ning seda konstanti nimetatakse kandja magnetiline läbilaskvus:

Õhu magnetiline läbilaskvus langeb praktiliselt kokku vaakumi magnetilise läbilaskvusega; seetõttu on õhu puhul magnetiline induktsioon B praktiliselt identne magnetvälja pingega H.

Magnetinduktsiooni mõõtmise seade NE-s — Tesla [T], CGS-süsteemis — Gauss [G] ja 1 T = 10000 G. Mõõteseadmeid magnetvälja induktsiooni määramiseks nimetatakse teslameetriteks.

Magnetvälja tugevust H mõõdetakse amprites meetri kohta (A/m), 1 amper meetri kohta on määratletud kui ühikulise pöördetihedusega lõpmatu pikkusega solenoidi magnetvälja tugevus, kui seda läbib 1-amprine solenoidvool. Ühe ampri meetri kohta saab määratleda ka muul viisil: see on magnetvälja tugevus ringikujulise vooluringi keskel, mille voolutugevus on 1 amper ja ahela läbimõõt on 1 meeter.

Siin väärib märkimist selline väärtus nagu induktsiooni magnetvoog — F. See on skalaarsuurus, SI-süsteemis mõõdetakse seda Webersis ja CGS-süsteemis — Maxwellsis, 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber on sellise suurusega magnetvoog, et kui see kahaneb nullini, läbib sellega ühendatud juhtiva vooluringi, mille takistus on 1 oomi, 1-kuullane laeng.

Kui võtta algväärtuseks magnetvoog F, siis pole magnetvälja induktsioon B midagi muud kui magnetvoo tihedus. Magnetvoo mõõtmise seadmeid nimetatakse veebimeetriteks.

Eespool märkisime, et magnetilist induktsiooni saab määrata kas jõu (või mehaanilise momendi) või vooluringis indutseeritud EMF-i abil. Need on nn otsemõõtmiste teisendused, kus magnetvoogu ehk magnetinduktsiooni väljendatakse mõne teise füüsikalise suuruse (jõu, laengu, momendi, potentsiaalide erinevuse) abil, mis on füüsikalise põhiseaduse abil unikaalselt seotud magnetsuurusega.

Teisendusi, kus magnetinduktsioon B või magnetvoog F läbib voolu I või pikkust l või raadiust r, nimetatakse pöördteisendusteks. Sellised teisendused viiakse läbi Biot-Savart-Laplace'i seaduse alusel, kasutades teadaolevat seost magnetinduktsiooni B ja magnetvälja H tugevuse vahel.