Nguyên lý đo từ trường, dụng cụ đo các thông số từ trường

La bàn từ tính đầu tiên chỉ hướng đến các cực từ của Trái đất xuất hiện vào thế kỷ thứ ba trước Công nguyên ở Trung Quốc. Đây là những thiết bị ở dạng muôi tròn có tay cầm ngắn làm bằng quặng sắt từ tính.

Chiếc thìa được đặt với phần lồi của nó trên một bề mặt bằng đồng hoặc gỗ nhẵn, trên đó có vẽ các vạch chia với hình ảnh các cung hoàng đạo, biểu thị các điểm chính. Để kích hoạt la bàn, người ta ấn nhẹ chiếc thìa và nó bắt đầu quay. Cuối cùng, khi chiếc thìa dừng lại, tay cầm của nó đã được chỉ đúng về phía cực nam của trái đất.

Từ thế kỷ thứ mười hai, la bàn đã được du khách ở châu Âu tích cực sử dụng. Chúng được lắp đặt trên cả phương tiện giao thông đường bộ và tàu biển để xác định độ lệch từ trường.

Từ cuối thế kỷ 18, các hiện tượng từ trường trở thành đối tượng nghiên cứu kỹ lưỡng của các nhà khoa học thời bấy giờ. Mặt dây chuyền vào năm 1785 đã đề xuất một phương pháp định lượng cường độ từ trường của Trái đất. Năm 1832Gauss đã chỉ ra khả năng xác định giá trị tuyệt đối của cường độ từ trường thông qua các phép đo chính xác hơn.

Mối liên hệ giữa hiện tượng từ tính và tác dụng lực quan sát được trong quá trình chuyển động của điện tích được Oersted thiết lập lần đầu tiên vào năm 1820. Maxwell sau này sẽ viết mối quan hệ này ở dạng hữu tỉ— ở dạng phương trình toán học (1873):

Cho đến nay, kỹ thuật sau đây được sử dụng để đo các thông số của từ trường:

• teslameter — thiết bị đo các giá trị của lực H hoặc cảm ứng của từ trường B;

• webmeters - dụng cụ đo độ lớn của từ thông Ф;

• dụng cụ đo trọng sai - thiết bị để đo tính không đồng nhất của từ trường.

cũng tồn tại:

• thiết bị đo momen từ M;

• dụng cụ đo hướng của véc tơ B;

• dụng cụ đo hằng số từ của các vật liệu khác nhau.

véc tơ cảm ứng từ B đặc trưng cho cường độ của tác dụng phụ mạnh từ trường (đến cực hoặc đến dòng điện) và do đó là đặc điểm chính của nó tại một điểm nhất định trong không gian.

Do đó, từ trường đang nghiên cứu có thể tương tác mạnh với nam châm hoặc phần tử dòng điện và cũng có khả năng tạo ra EMF cảm ứng trong mạch nếu từ trường xuyên qua mạch thay đổi theo thời gian hoặc nếu mạch thay đổi vị trí so với từ trường.

Một phần tử mang dòng điện có chiều dài dl đặt trong từ trường có cảm ứng B sẽ chịu tác dụng của lực F, giá trị của lực này có thể tìm được bằng công thức sau:

Do đó, cảm ứng B của từ trường được nghiên cứu có thể được tìm thấy bởi lực F, tác dụng lên một dây dẫn có chiều dài l cho trước, với dòng điện một chiều có giá trị I đã biết, đặt trong từ trường này.

Trong thực tế, các phép đo từ tính được thực hiện thuận tiện bằng cách sử dụng một đại lượng gọi là mômen từ. Mômen từ Pm đặc trưng cho đường bao của vùng S với dòng điện I và độ lớn của mômen từ được xác định như sau:

Nếu dùng cuộn dây có N vòng dây thì momen từ của nó sẽ bằng:

Momen cơ học M của lực tương tác từ có thể tìm được dựa vào các giá trị của momen từ Pm và cảm ứng từ trường B như sau:

Tuy nhiên, để đo từ trường, không phải lúc nào cũng thuận tiện khi sử dụng các biểu hiện của lực cơ học. May mắn thay, có một hiện tượng khác mà bạn có thể tin tưởng. Đây là hiện tượng cảm ứng điện từ. Định luật cảm ứng điện từ dưới dạng toán học được viết như sau:

Do đó, từ trường biểu hiện dưới dạng lực hoặc EMF gây ra. Trong trường hợp này, nguồn gốc của từ trường, như đã biết, là một dòng điện.

Nếu đã biết dòng điện tạo ra từ trường tại một điểm nhất định trong không gian, thì cường độ từ trường tại điểm đó (ở khoảng cách r so với phần tử hiện tại) có thể được tìm thấy sử dụng định luật Biot-Savart-Laplace:

Cần lưu ý rằng cảm ứng từ B trong chân không liên hệ với cường độ từ trường H (do dòng điện tương ứng sinh ra) theo hệ thức sau:

Hằng số từ chân không trong hệ SI được định nghĩa bằng ampe.Đối với một môi trường tùy ý, hằng số này là tỷ số giữa cảm ứng từ trong một môi trường nhất định với cảm ứng từ trong chân không và hằng số này được gọi là tính thấm từ của môi trường:

Tính thấm từ của không khí thực tế trùng với tính thấm từ của chân không; do đó, đối với không khí, cảm ứng từ B thực tế đồng nhất với ứng suất từ ​​trường H.

Đơn vị đo cảm ứng từ ở ĐB — Tesla [T], trong hệ thống CGS — Gauss [G], và 1 T = 10000 G. Các thiết bị đo để xác định cảm ứng từ trường được gọi là teslamemeter.

Cường độ từ trường H được đo bằng ampe trên mét (A/m), 1 ampe/mét được định nghĩa là cường độ từ trường của nam châm điện từ dài vô hạn có mật độ vòng đơn vị khi dòng điện từ 1 ampe chạy qua nó. Một ampe trên mét có thể được định nghĩa theo một cách khác: đó là cường độ của từ trường ở tâm của một mạch tròn có dòng điện 1 ampe với đường kính vòng dây là 1 mét.

Ở đây, cần lưu ý một giá trị như từ thông cảm ứng — F. Đây là đại lượng vô hướng, trong hệ SI, nó được đo bằng Webers và trong hệ CGS — ở Maxwell, với 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber là một từ thông có độ lớn sao cho khi nó giảm về 0, điện tích 1 coulomb sẽ truyền qua một mạch dẫn có điện trở 1 Ohm nối với nó.

Nếu chúng ta lấy từ thông F làm giá trị ban đầu, thì cảm ứng từ trường B sẽ không khác gì mật độ từ thông. Các thiết bị đo từ thông được gọi là webmeters.

Chúng tôi đã lưu ý ở trên rằng cảm ứng từ có thể được xác định bằng lực (hoặc mô men cơ học) hoặc bằng EMF gây ra trong mạch. Đây là cái gọi là chuyển đổi phép đo trực tiếp, trong đó từ thông hoặc cảm ứng từ được biểu thị bằng một đại lượng vật lý khác (lực, điện tích, mômen, hiệu điện thế) liên quan duy nhất đến đại lượng từ tính bằng định luật vật lý cơ bản.

Các phép biến hình mà tại đó có cảm ứng từ B hoặc từ thông F qua dòng điện I hoặc có chiều dài l hoặc bán kính r gọi là các phép biến đổi ngược. Các phép biến đổi như vậy được thực hiện trên cơ sở định luật Biot-Savart-Laplace, sử dụng mối quan hệ đã biết giữa cảm ứng từ B và cường độ của từ trường H.