Статью подготовили специалисты образовательного сервиса Zaochnik
Принципиальные методы измерения напряженности и индукции магнитного поля в магнетиках
- 27 октября 2023
- 6 минут
- 1 249
Прямое измерение индукции магнитного поля
Прямое измерение индукции магнитного поля при помощи витка с током основано на явлении электромагнитной индукции Фарадея.
Напомним один из основных законов электромагнетизма.
При изменении магнитного потока, проходящего через замкнутый контур, в контуре возникает ЭДС индукции.
Скорость изменения магнитного потока через замкнутый контур по модулю равна ЭДС индукции, возникающей в контуре.
Как измерить индукцию магнитного поля прямым методом? Сначала проводник в виде небольшой плоской петли замыкают на гальванометр и ориентируют так, чтобы линии магнитной индукции магнитного поля были перпендикулярны плоскости проводника. Затем проводник поворачивают вокруг своей оси на 90°. По закону электромагнитной индукции через гальванометр при этом должен пройти импульс тока. Измерив этот импульс, определяют среднее значение магнитной индукции B в области петли.
Косвенные методы измерение напряженности и индукции магнитного поля
Прямое (непосредственное) измерение величины B описанным выше способом возможно не всегда. Например, так невозможно измерить индукцию магнитного поля в веществе.
Необходимо принимать во внимание, что при переходе границы магнетика нормальные составляющие вектора магнитной индукции и тангенциальные составляющие вектора напряженности непрерывны.
Как измеряют вектор магнитной индукции в веществе? Для этого в исследуемом материале делают полость и проводят измерение. Также при обработке результатов учитывают форму полости.
Способ 1. В магнетике делают параллельный магнитному полю и бесконечно узкий канал. Так как канал бесконечно узкий, можно принять, что напряженность поля в нем и в окружающем магнетике одинаковы. В канал помещается пробный виток, измеряется величина магнитной индукции. Так как в канале отсутствует вещество магнетика и μ=1, получаем:
→B=μ0→H.
Способ 2. В магнетике создают бесконечно узкую щель. Удаление вещества, учитывая бесконечно малый размер щели, не сказывается на магнитном поле (удалением вещества можно пренебречь). Измеряя индукцию в щели, узнаем индукцию магнитного поля в веществе.
Пусть у нас есть электромагнит, состоящий из железного сердечника и катушек с током. Число витков с током равно N. Сердечник имеет узкий воздушный зазор длиной lv. По большей части линии магнитной индукции сосредоточены внутри сердечника и пересекают границу воздух-сердечник по нормали к поверхности раздела. Найти величину магнитной индукции в воздушном зазоре электромагнита.
Решение.
Магнитная индукция в зазоре и сердечнике одинакова по модулю, если зазор бесконечно мал.
B1n=B2n
Применяя теорему о циркуляции вектора напряженности →H, получим выражения для напряженности в железе и воздухе.
Напряженность в железе равна HFe=Bμ0μFe. Напряженность в воздухе: Hv=Bμ0μv. Циркуляция вектора напряженности запишется в виде:
HFelFe+Hvlv=NI
где I - сила тока в катушке, lFe - длина контура в железном сердечнике.
Подставим сюда записанные выше выражение для напряженности:
Bμ0μFelFe+Bμ0μvlv=NI.
Отсюда выразим магнитную индукцию:
B=μ0lNlvμv+lFeμFe≈μ0lNlv+lFeμFe.
Магнитная проницаемость железа велика, и соотношением lFeμFe≪1 можно пренебречь. Тогда выражение для индукции запишется в виде:
B≈μ0lNlv.
Измерение напряженности магнитного поля методом Гаусса
Данный метод применяется для измерения магнитного поля Земли.
Постоянные магниты - это магнетики, вектор намагниченности →J которых остается неизменным (или меняется незначительно) при внесении магнетика во внешнее магнитное поле.
На этом определении и базируется суть метода. Для измерения напряженности магнитного поля методом Гаусса берется постоянный магнит в форме стержня, намагниченный параллельно оси. Если поместить такой магнит в постоянное магнитное поле с индукцией →B, на него будет действовать вращающий магнитный момент →M.
→M=open.
Здесь - магнитный момент стержня. Под действием момента стержень, вращаясь вокруг своего центра масс, придет в состояние равновесия и установится вдоль вектора поля . При небольших отклонениях от положения равновесия возникают колебания с периодом , где - момент инерции стержня.
Магнит-стержень закрепляется перпендикулярно магнитному полю , а на расстоянии от его центра помещается маленькая магнитная стрелка. Стержень можно считать магнитным диполем, а для магнитного поля стержня в месте нахождения стрелки можно записать:
.
Под воздействием полей и стрелка установится под углом к постоянному магнитному полю:
.
Измеряя период и вычисляя угол , находят магнитный момент стержня и значение индукции магнитного поля.
Сохранить статью удобным способом