Характеристики магнитного поля и методы измерения

Обзор методов и приборов исследования характеристик магнитного поля низкой частоты

1.1. Характеристики магнитного поля и методы измерения

1.2. Датчики и приборы для измерения характеристик магнитного поля

1.3. Лабораторные установки для измерения характеристик магнитного поля

1.4. Выводы по разделу

Основание структурной схемы лабараторного макета для исследования магнитного поля низкой

2.1. Структурная схема прибора

2.2. Разработка лабораторного макета для исследования магнитного поля

2.3. Выводы по разделу

Библиографический список

ОБЗОР методОВ И ПРИБОРОВ исследования ХАРАКТЕРИСТИК магнитного поля НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

В разделе представлены основные данные по методам измерения магнитного поля, представлен обзор используемых при измерениях магнитного поля датчиков, а также известные лаборарные установки по изучению характеристик магнитного поля. Сделаны выводы о методе и способе построения лабораторной установки, разрабатываемой в рамках дипломной работы.

Характеристики магнитного поля и методы измерения

В настоящее время задача детектирования и измерения магнитного поля достаточно актуальна и встречается во многих сферах деятельности.. Физические явления, связанные с магнитным полем, используют и в системах навигации, при определении координат, при распознавании «свой-чужой», в системах поиска людей под завалами и так далее. При этом, эти приборы используют различные методы детектирования в зависимости от задачи, исследуемого диапазона частот, уровней напряженности магнитного поля (магнитной индукции).

1.1.1. Магнитное поле и его характеристики

При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле [2]. Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, то есть электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю.

Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды. Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля.

Магнитное состояние вещества определяетсяследующими параметрами:

¾ намагниченностью М [А∙м⁻¹];

¾ магнитнаявосприимчивость χ.

К измеряемым характеристикам магнитного поля относятся:

¾ магнитная индукция B [Тл];

¾ магнитный поток Ф [Вб];

¾ магнитная проницаемость [Гн/м];

1.1.2. Методы измерения магнитного поля

Для измерения магнитных характеристик применяют следующие методы [2]:

¾ баллистический;

¾ магнитометрический;

¾ электродинамический;

¾ индукционный;

¾ пондеромоторный;

¾ мостовой;

¾ потенциометрический;

¾ ваттметровый;

¾ калориметрический;

¾ нейтронографический;

¾ резонансный.

Баллистический метод основан на измерении баллистическим гальванометром количества электричества, индуктируемого в измерительной катушке при быстром изменении сцепленного с ней магнитного потока.

Кроме баллистических гальванометров, для измерения магнитного потока применяют веберметры (Флюксметры) — магнитоэлектрические и фотоэлектрические.Веберметрами можно измерять медленно меняющиеся потоки. Баллистическим методом определяют основную кривую индукции В (Н), кривую намагничивания J (H), петлю гистерезиса, различные виды проницаемости и размагничивающий фактор ферромагнитных образцов.

Магнитометрический метод основан на воздействии исследуемого намагниченного образца на расположенную вблизи него магнитную стрелку. По углу отклонения магнитной стрелки от начального положения определяют магнитный момент образца. Далее можно вычислить J, В и Н. Таким образом, метод даёт возможность найти зависимости В (Н) и J (H), петлю гистерезиса и магнитную восприимчивость. Благодаря высокой чувствительности магнитометрического метода его широко применяют для измерений геомагнитного поля и для решения ряда метрологических задач.

Иногда для определения характеристик магнитного поля, в частности в промышленных условиях, применяют электродинамический метод, при котором измеряют угол поворота катушки с током под действием магнитного поля намагниченного образца. К преимуществам метода относится возможность градуирования шкалы прибора непосредственно в единицах измеряемой величины (В или Н).

Для исследования ферромагнитных веществ в широком интервале значений Н используются индукционный и пондеромоторный методы. Индукционный метод позволяет определять кривые В (Н), J (H), петлю гистерезиса и различные виды проницаемости. Он основан на измерении ЭДС индукции, которая возбуждается во вторичной обмотке при пропускании намагничивающего переменного тока через первичную обмотку образца. Метод может быть также использован для измерения намагниченности в сильных импульсных магнитных полях и магнитной восприимчивости диа- и парамагнитных веществ в радиочастотном диапазоне.

Пондеромоторный метод состоит в измерении механической силы, действующей на исследуемый образец в неоднородном магнитном поле. Особенно широко метод применяется при исследовании магнитных свойств слабомагнитных веществ. На основе этого метода созданы разнообразные установки и приборы, такие как: маятниковые, крутильные и рычажные. Магнитные весы, весы с использованием упругого кольца и другие. Метод применяется также при измерении магнитной восприимчивости жидкостей и газов, намагниченности ферромагнетиков и магнитной анизотропии.

Мостовой и потенциометрический методы определения магнитных характеристик в большинстве случаев применяются для измерений в переменных магнитных полях в широком диапазоне частот. Они основаны на измерении параметров (индуктивности L и активного сопротивления R) электрической цепи с испытуемыми ферромагнитными образцами. Эти методы позволяют определять зависимости В (Н), J (H), составляющие комплексной магнитной проницаемости и комплексного магнитного сопротивления в переменных полях, потери на перемагничивание.

Наиболее распространённым методом измерения потерь на перемагничивание является ваттметровый метод, им пользуются при синусоидальном характере изменения во времени магнитной индукции. При этом методе с помощью Ваттметра определяется полная мощность в цепи катушки, используемой для перемагничивания образца. Ваттметровый метод стандартизован для испытания электротехнических сталей.

Абсолютным методом измерения потерь в ферромагнитных материалах является калориметрический метод, который используется в широком частотном диапазоне. Он позволяет измерять потери при любых законах изменения напряжённости магнитного поля и магнитной индукции и в сложных условиях намагничивания. Сущность этого метода состоит в том, что мерой потерь энергии в образце при его намагничивании переменным магнитным полем является повышение температуры образца и окружающей его среды. Калориметрические магнитометры осуществляются методами смешения, ввода тепла и протока.

Магнитную структуру ферромагнитных и антиферромагнитных веществ исследуют с помощью нейтроно-графического метода, основанного на явлении магнитного рассеяния нейтронов, возникающего в результате взаимодействия магнитного момента нейтрона с магнитными моментами частиц вещества

Резонансные методы исследования включают все виды магнитного резонанса — резонансного поглощения энергии переменного электромагнитного поля электронной или ядерной подсистемой вещества. Эти подсистемы, кроме электромагнитной энергии, могут резонансно поглощать энергию звуковых колебаний — это так называемый, магнето-акустический парамагнитный резонанс, который также применяют в магнитных измерениях.

Важную область магнитных измерений составляют измерения характеристик магнитных материалов (ферритов, магнито-диэлектриков и др.) в переменных магнитных полях повышенной и высокой частоты (от 10 кГц до 200 МГц). Для этой цели применяют в основном ваттметровый, мостовой и резонансный методы. Измеряют обычно потери на перемагничивание, коэффициент потерь на гистерезис и вихревые токи, компоненты комплексной магнитной проницаемости. Измерения осуществляют при помощи пермеаметра, аппарата Эпштейна, феррометра и других устройств, позволяющих определять частотные характеристики материалов.

Существуют и другие методы определения магнитных характеристик (магнитооптический, в импульсном режиме перемагничивания, осциллографический, метод вольтметра и амперметра и другие), позволяющие исследовать ряд важных свойств магнитных материалов.

Приборы для измерения магнитного поля классифицируют по их назначению, условиям применения, по принципу действия чувствительного элемента (датчика, или преобразователя). Приборы для измерения напряжённости поля, индукции и магнитного момента обычно называют магнитометрами, для измерения магнитного потока — флюксметрами или веберметрами; потенциала поля — магнитными потенциалометрами, градиента — градиентометрами; коэрцитивной силы — Коэрцитиметрами и так далее. В соответствии с классификацией методов, различают приборы, основанные на: явлении электромагнитной индукции; гальваномагнитных явлениях; на силовом (пондеромоторном) действии поля; на изменении оптических, механических, магнитных и других свойств материалов под действием магнитного поля; на специфических квантовых явлениях.