Prinsip pengukuran medan magnet, instrumen untuk mengukur parameter medan magnet

Kompas magnetik pertama yang menunjukkan arah ke kutub magnet Bumi muncul pada abad ketiga SM di Cina. Ini adalah perangkat dalam bentuk sendok bundar bergagang pendek yang terbuat dari bijih besi magnet.

Sendok itu diletakkan dengan bagian cembungnya di atas permukaan tembaga atau kayu yang halus, di mana bagian-bagian digambar dengan gambar tanda-tanda zodiak, yang menunjukkan titik-titik mata angin. Untuk mengaktifkan kompas, sendok ditekan perlahan dan mulai berputar. Akhirnya, saat sendok berhenti, gagangnya sudah mengarah ke kanan menuju kutub magnet selatan bumi.

Sejak abad ke-12, kompas digunakan secara aktif oleh para pelancong di Eropa. Mereka dipasang pada transportasi darat dan kapal laut untuk menentukan deviasi magnetik.

Sejak akhir abad ke-18, fenomena magnetik menjadi objek studi yang cermat bagi para ilmuwan pada masa itu. Pendant pada tahun 1785 mengusulkan metode untuk mengukur kekuatan medan magnet bumi. Pada tahun 1832Gauss menunjukkan kemungkinan menentukan nilai absolut dari kekuatan medan magnet melalui pengukuran yang lebih akurat.

Hubungan antara fenomena magnetik dan efek gaya yang diamati selama pergerakan muatan listrik pertama kali ditetapkan pada tahun 1820 oleh Oersted. Maxwell kemudian menulis hubungan ini dalam bentuk rasional— dalam bentuk persamaan matematika (1873):

Sampai saat ini, teknik berikut digunakan untuk mengukur parameter medan magnet:

• teslameters — alat untuk mengukur nilai gaya H atau induksi medan magnet B;

• webmeters — instrumen untuk mengukur besarnya fluks magnet Ф;

• gradiometer — perangkat untuk mengukur ketidakhomogenan medan magnet.

juga ada:

• perangkat untuk mengukur momen magnet M;

• instrumen untuk mengukur arah vektor B;

• instrumen untuk mengukur konstanta magnetik dari berbagai bahan.

Vektor induksi magnetik B mencirikan intensitas aksi sisi yang kuat Medan gaya (ke kutub atau ke arus) dan karena itu karakteristik utamanya pada titik tertentu dalam ruang.

Dengan demikian, medan magnet yang dipelajari dapat berinteraksi kuat dengan magnet atau elemen arus, dan juga mampu menginduksi EMF induksi dalam rangkaian jika medan magnet yang menembus rangkaian berubah dari waktu ke waktu atau jika rangkaian mengubah posisi relatif terhadap medan magnet.

Sebuah elemen pembawa arus dengan panjang dl dalam medan magnet induksi B akan ditindaklanjuti oleh gaya F, yang nilainya dapat ditemukan dengan menggunakan rumus berikut:

Oleh karena itu, induksi B dari medan magnet yang dipelajari dapat ditemukan oleh gaya F, yang bekerja pada konduktor dengan panjang tertentu l, dengan arus searah dengan nilai I yang diketahui, ditempatkan di medan magnet ini.

Dalam praktiknya, pengukuran magnetik mudah dilakukan dengan menggunakan besaran yang disebut momen magnetik. Momen magnetik Pm mencirikan kontur daerah S dengan arus I, dan besarnya momen magnetik ditentukan sebagai berikut:

Jika kumparan dengan lilitan N digunakan, maka momen magnetnya akan sama dengan:

Momen mekanik gaya interaksi magnetik M dapat diketahui berdasarkan nilai momen magnetik Pm dan induksi medan magnet B sebagai berikut:

Namun, untuk mengukur medan magnet, tidak selalu nyaman menggunakan manifestasi gaya mekanisnya. Untungnya, ada fenomena lain yang bisa Anda andalkan. Ini adalah fenomena induksi elektromagnetik. Hukum induksi elektromagnetik dalam bentuk matematika ditulis sebagai berikut:

Dengan demikian, medan magnet memanifestasikan dirinya sebagai gaya atau EMF yang diinduksi. Dalam hal ini, sumber medan magnet itu sendiri, seperti diketahui, adalah arus listrik.

Jika arus yang membangkitkan medan magnet pada suatu titik tertentu dalam ruang diketahui, maka kuat medan magnet pada titik tersebut (pada jarak r dari elemen arus) dapat diketahui. menggunakan hukum Biot-Savart-Laplace:

Perlu dicatat bahwa induksi magnetik B dalam ruang hampa terkait dengan kekuatan medan magnet H (dihasilkan oleh arus yang sesuai) dengan hubungan berikut:

Konstanta magnetik vakum dalam sistem SI didefinisikan dalam ampere.Untuk media arbitrer, konstanta ini adalah rasio induksi magnetik dalam media tertentu dengan induksi magnetik dalam ruang hampa, dan konstanta ini disebut permeabilitas magnetik medium:

Permeabilitas magnetik udara secara praktis bertepatan dengan permeabilitas magnetik vakum; oleh karena itu, untuk udara, induksi magnet B secara praktis identik dengan tegangan medan magnet H.

Satuan untuk mengukur induksi magnetik di NE — Tesla [T], dalam sistem CGS — Gauss [G], dan 1 T = 10000 G. Alat pengukur untuk menentukan induksi medan magnet disebut teslameter.

Kekuatan medan magnet H diukur dalam ampere per meter (A/m), 1 ampere/meter didefinisikan sebagai kekuatan medan magnet dari solenoid dengan panjang tak terhingga dengan kerapatan putaran satuan ketika arus solenoida 1 ampere mengalir melewatinya. Satu ampere per meter dapat didefinisikan dengan cara lain: itu adalah kekuatan medan magnet di tengah sirkuit melingkar dengan arus 1 ampere dengan diameter lingkaran 1 meter.

Di sini perlu diperhatikan nilai seperti fluks magnet induksi — F. Ini adalah besaran skalar, dalam sistem SI diukur dalam Weber, dan dalam sistem CGS — dalam Maxwells, dengan 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber adalah fluks magnet yang besarnya sedemikian rupa sehingga ketika berkurang menjadi nol, muatan 1 coulomb akan melewati rangkaian penghantar dengan resistansi 1 Ohm yang terhubung dengannya.

Jika kita mengambil fluks magnet F sebagai nilai awal, maka induksi medan magnet B tidak lebih dari kerapatan fluks magnet. Perangkat untuk mengukur fluks magnet disebut webmeter.

Kami mencatat di atas bahwa induksi magnetik dapat ditentukan baik oleh gaya (atau momen mekanis) atau oleh EMF yang diinduksi dalam rangkaian. Inilah yang disebut konversi pengukuran langsung, di mana fluks magnet atau induksi magnet dinyatakan oleh besaran fisik lain (gaya, muatan, momen, beda potensial) yang secara unik terkait dengan besaran magnetik melalui hukum fisika dasar.

Transformasi di mana induksi magnet B atau fluks magnet F melalui arus I atau panjang l atau jari-jari r disebut transformasi terbalik. Transformasi semacam itu dilakukan berdasarkan hukum Biot-Savart-Laplace, menggunakan hubungan yang diketahui antara induksi magnetik B dan kekuatan medan magnet H.