В чем измеряется магнитная напряженность. Корреляционный анализ солнечной и геомагнитной активностей

01.02.2019

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

В прошлом веке сила магнитного поля Земли уменьшилась примерно на 6%. В то время как сила 200 мкТ была еще несколько тысяч лет назад, сегодня она по-прежнему предлагает небольшие 50 мкТ в среднем. 200 лет назад это было около 100 мкТ. Особенностью является то, что соответствующий географический полюс противоречит магнитному полюсу, что является следствием повторного изменения полярности магнитного поля.

Таким образом, географический Северный полюс представляет собой магнитный Южный полюс и наоборот. Аналогично, географические полюса и магнитные полюса не находятся непосредственно рядом. Поэтому Северный полюс стрелки компаса не указывает точно на географический север. Этот угол между осью стрелки компаса и географическим северным направлением называется углом наклона или пренебрежением и составляет 11, 5 ° в северных районах.

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Напряжённость магнитного поля

Напряжённость магнитного поля - одна из основных величин, характеризующих магнитное поле.

В системе СГС напряжённость магнитного поля измеряется в эрстедах (Э), в системе СИ -- в амперах на метр (А/м). В технике эрстед постепенно вытесняется единицей СИ -- ампером на метр.

В Германии он составляет 1, 1 ° и уменьшается на 0, 15 ° в год. Это угловое изменение обусловлено постоянной миграцией магнитных полюсов. Кроме того, плотность потока, т.е. сила магнитного поля, выше вблизи магнитных полюсов, чем в области экватора. Из изображения линии поля дипольного поля видно также, что линии магнитного поля не проходят параллельно поверхности Земли. Угол между плоскостью, параллельной земной поверхности и полевой линией, называется углом наклона. Это около 60 ° в Германии и около 90 ° на северном и южном полюсах.

Магнитные явления, в частности магнитное поле Земли, были заняты людьми с древних времен. Тем временем мы знаем, что магнитное поле Земли также является важным ключом к пониманию глубины Земли: курс и сила магнитного поля на поверхности Земли и в космическом пространстве Земли раскрывают важные детали о том, как «земное динамо» функционирует внутри Земли наблюдаемое магнитное поле.

1 Э = 1000/(4р) А/м? 79,5775 А/м.

1 А/м = 4р/1000 Э? 0,01256637 Э.

В вакууме (или в отсутствие среды, способной к магнитной поляризации, а также в случаях, когда последняя пренебрежима) напряжённость магнитного поля (Н) совпадает с вектором магнитной индукции (B) с точностью до коэффициента, равного 1 в СГС и м0 в СИ.

При этом надо иметь в виду, что более фундаментальной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B. Именно он определяет силу действия магнитного поля на движущиеся заряженные частицы и токи, а также может быть непосредственно измерен, в то время как напряжённость магнитного поля H можно рассматривать скорее как вспомогательную величину (хотя рассчитать её, по крайней мере, в статическом случае, проще, в чём и состоит её ценность: ведь H создают так называемые свободные токи, которые сравнительно легко непосредственно измерить, а трудно измеримые связанные токи -- то есть токи молекулярные и т. п. -- учитывать не надо).

Существуют разные теории образования магнитного поля Земли, ни одна из которых до сих пор не подтверждена со 100-процентной вероятностью. Однако, несомненно, внешняя энергия хранится во внешнем магнитном поле, а энергия во внутреннем поле предположительно выше на два порядка. Таким образом, магнитное поле Земли сохраняет вращательный импульс.

Согласно самой известной и вероятной теории, магнитное поле генерируется из ядра Земли. Внутреннее ядро земного шара, состоящее из жидкой магмы, генерирует около 95% естественного магнитного поля. Из-за разницы температур между горячим ядром и окружением кулера вокруг него возникают так называемые конвекционные потоки.

Напряженность магнитного поля можно определить с помощью силы, которая действует на помещенный в поле пробный магнит. Так как магнитные полюсы не существуют по отдельности, на северный и южный полюсы пробного магнита действуют противоположно направленные силы, и возникает момент пары сил. Этот момент характеризует величину напряженности поля в данном месте.

Поскольку внешнее ядро Земли вращается быстрее, чем его оболочка вокруг земной коры, создается электрический ток, как в генераторе, который накапливает магнитное поле Земли. Согласно динамоэлектрическому принципу электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле, индуцируется движением электропроводящего расплава в слабом начальном магнитном поле. Это приводит к более сильной индукции и создает магнитное поле Земли.

Таким образом, магнитное поле Земли генерируется из кинетической энергии ядра Земли. Конвекцию потоков расплава можно также рассматривать как вращательное движение, которое имеет тенденцию поддерживать исходное направление оси вращения, подобно маятнику Фуко. Это альтернативное описание отклонения силой Кориолиса. Поэтому магнитные полюса лежат примерно в окрестности географических полюсов.

В магнитном поле цилиндрической катушки он прямо пропорционален числу витков и силе тока и обратно пропорционален длине катушки. Направление вектора напряженности магнитного поля в каждой точке совпадает с направлением силовых линий. Внутри катушки (магнита) он направлен от южного полюса к северному, вне катушки -- от северного к южному.

Возможно также, что силы Луны, так же как и Солнца, способствуют формированию магнитного поля Земли. Через них земля постепенно затормаживается в своем вращении. Приливные силы действуют сильнее на земной мантии, чем на земном ядре, так как больший радиус земной мантии ведет к большей разнице в притяжении луны, так как области мантии Земли, обращенной от луны, дальше друг от друга, чем соответствующие области мантии Земли ядро.

Как следствие, более сильное торможение земной мантии означает, что внутреннее заземляющее сердечник вращается немного быстрее, чем земная мантия, что стало возможным благодаря воздействию внешнего жидкого земного сердечника в качестве среды с низким трением. В результате более быстрого вращения твердого заземляющего сердечника против земной мантии возникает электрический ток, который вызывает магнитное поле Земли.

То напряженность магнитного поля определяется формулой:

Приборы для измерения магнитного поля

Все магнитометры функционально можно разделить на две группы

Магнитометры для измерения внешних магнитных полей или иначе, полей, создаваемых объектами и магнитометры для исследования магнитных свойств вещества. Не смотря на то, что магнитометры, входящие в первую и вторую группы функционально различны и конструктивно отличаются друг от друга, в них могут быть применены одни и те же физические явления.

Особое геофизическое явление, которое еще не полностью понято, - это непроизвольное изменение магнитного поля Земли, т.е. полный обмен северным и южным полюсами. Основная часть магнитного поля Земли изменяется очень медленно. Перемена происходила часто в ходе истории Земли и, вероятно, будет продолжать это делать.

Открытие разворота полярности связано с программой океанского бурения, которая, как было установлено, имеет более или менее широкие полосы противоположной магнитной полярности, параллельные центральным океаническим хребтам, где ускоряется жидкий каменный материал. Магнитные минералы, которые были сохранены в полосах, были выровнены в соответствии с преобладающим магнитным полем до их затвердевания и указывают на их чередующуюся полярность. Такие развороты полярности отмечены незначительными изменениями свойств магнитного поля и, следовательно, являются причиной нарушений геодинамики.

В связи с этим рассмотрим классификацию магнитометров, исходя из законов, лежащих в основе их работы. Их можно раз делить на пять основных групп:

· феррозондовые

· магнитоидуктивные

· магниторезисторные,

· квантовые,

· на эффекте Холла.

Феррозондовые магнитометры

Феррозондовые магнитометры были изобретены в начале тридцатых годов одновременно в России и Германии.

В частности, динамические процессы на Солнце приводят к большим магнитным возмущениям, так называемым магнитным бурям, которые проявляют себя как высокие поляризации в высоких широтах и могут серьезно помешать техническим устройствам, таким как телекоммуникационные спутники или наземные сети электроснабжения.

Магнитное поле также изменяется локально. В окрестностях Москвы, Оба месторождения руд или некоторых полезных ископаемых, а также кораблекрушения, подводные лодки или морские мины вызывают отклонение от регулярно ожидаемой плотности магнитного потока. На рисунке можно увидеть ход поля магнитного поля Земли без внешнего воздействия.

За основу работы феррозондового магнитометра взято изменение магнитных свойств ферромагнетика при изменении магнитного поля.

Известно, что при намагничивании и последующем перемагничивании ферромагнетика на графике

J = f (H), где

J - намагниченность ферромагнетика,

H - напряженность магнитного поля, образуется замкнутая фигура, которая получила название петли гистерезиса. На рисунке JS и при H = HS называется намагниченностью насыщения. Намагниченность +JR и -JR при H = 0 называется остаточной намагниченностью (что необходимо для создания постоянных магнитов).

Наблюдения за последние 150 лет показывают, что за это время сила магнитного поля непрерывно снижалась. Спутниковые измерения также указывают на ослабление магнитного поля Земли, которое составляет около 1% в год в Северной Атлантике. Многие ученые считают, что это указывает на изменение полярности магнитного поля.

Дальнейшими признаками являются, например, местоположения в зоне сердцевины-оболочки, где направление магнитного потока изменяется на противоположное, как это принято для соответствующего полушария. Самый большой из этих регионов простирается на юг от южной оконечности Африки к западу до южной оконечности Южной Америки. Дальнейшие изменения в направлении реки находятся под восточным побережьем Северной Америки и под Арктикой. Эти области становятся измеримыми и двигаются все дальше и дальше вдоль полюсов.

Напряженность +HC и -HC магнитного поля, полностью размагниченного ферромагнетика, называется коэрцитивной силой. Она характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние.

Если на ферромагнитный стержень или кольцо намотать провод, такая обмотка называется обмоткой возбуждения, и пропустить через него переменный синусоидальный ток, то этот ток, создавая свое переменное поле будет перемагничивать ферромагнетик с частотой тока.

Это явление объясняет ослабление и последующее разворот дипольного поля. Реверсирование потока происходит, когда на границе сердцевина-оболочка конвекционные токи и, следовательно, также линии магнитного поля, которые обычно проходят горизонтально в ядре, сгибаются к вертикальным петлям турбулентностью. Если такая петля выходит из ядра в одной точке и снова входит в нее в другую, то обнаруживаются два положения, которые лежат близко друг к другу в пространственном направлении с разными направлениями магнитного потока.

Эти аномалии могут ослабить полное поле, если область с обратным потоком ближе к географическому полюсу, чем область с нормальным потоком, потому что дипольное поле особенно чувствительно реагирует на изменения в полюсной области. Таким образом, до полного полярного разворота эти аномалии будут продолжать расти.

Однако если на стержень или кольцо намотать еще одну обмотку, которая называется измерительной обмоткой, то в этой обмотке будет индуцироваться ЭДС взаимоиндукции, так же, как это происходит в трансформаторе.

При отсутствии внешнего магнитного поля, т.е. при симметричной относительно оси OН петли гистерезиса во вторичной обмотке наведется ЭДС без искажений (на рис. 4 обозначена буквой Ф).

Таким образом, наблюдаемое уменьшение напряженности магнитного поля приводит к тому, что излучение пространства увеличивается в ближайшей окрестности Земли, поскольку оно несколько больше подвержено солнечному ветру. Например, высоколетящие спутники в областях с низким напряжением магнитного поля 90% от их повреждения высокоэнергетическим излучением частиц. Аналогичным образом, риск развития рака у людей резко возрастает из-за неустойчивого магнитного поля или увеличения радиации.

Теории новой поляризации магнитного поля очень сильно отличаются друг от друга и показывают, что явление разворота еще не полностью исследовано. Солнечный ветер от солнца состоит из ионов водорода и гелия, а также электронов. Если эти частицы достигают нашей Земли при очень высоких скоростях, они сжимаются со стороны дня магнитным полем Земли и направляются вокруг Земли. Ночью магнитное поле Земли тянет его в хвост, который даже простирается по лунной орбите, как видно на рисунке. Без этого магнитного защитного экрана Земли, жизнь сегодняшней формы, безусловно, не могла развиться.

Однако если будет присутствовать внешнее поле, то ось OН сместится вверх или вниз, в зависимости от направления вектора индукции внешнего поля, пропорционально величине этого поля. (На рис. 2 ось OH смещена вверх).

В этом случае при перемагничивании ферромагнетика током возбуждения, при той же амплитуде тока, ферромагнетик войдет в насыщение.

В середине хвоста плотность магнитного потока очень низкая, где накапливаются заряженные частицы. Магнитное поле Земли направляет заряженные частицы солнечного ветра и, таким образом, сильно деформируется на больших высотах. Спутниковые измерения показывают, что на стороне, обращенной к солнцу, формируется плазменный переплет.

Кроме того, происходят внезапные и внезапные изменения и колебания магнитного поля Земли, так называемые земно-магнитные бури. Они в основном вызваны активностью солнца. Солнечный ветер не только вызывает колебания магнитного поля Земли, потому что он не является постоянным, но также зависит от магнитного поля Земли.

Соответственно положительная часть сигнала будет искажена, рис.5.

Это будет выглядеть на рисунке, как отсечение вершин синусоидального сигнала, хотя форма отрицательной части сигнала ЭДС не будет искажена. Соответственно, если вектор индукции внешнего магнитного поля будет направлен в противоположную сторону, это будет соответствовать на графике смещению оси OН вниз. В этом случае искаженной будет отрицательная часть ЭДС вторичной катушки. Величина искажения зависит от величины индукции внешнего магнитного поля. Таким образом, построив электронную схему, способную анализировать уровень искажений, пропорциональный внешнему магнитному полю, можно измерить его величину и определить направление вектора индукции измеряемого магнитного поля.

Частицы, летящие вдоль линий поля, столкнувшись с частицами нашего воздушного мешка, также производят люстры-подобные явления, которые мы знаем как полярные звезды. Эти огни сопровождаются несколькими миллионами токов электрических токов в ионосфере. Как вторичный эффект, токи помех также индуцируются в наземных линиях.

Во многих случаях широкомасштабные сбои питания уже запущены. Экспериментальное измерение магнитного поля. Пример вращающейся катушки. Если имеется катушка с несколькими обмотками, то наведенное напряжение. В случае кругового движения поверхность изменяется с помощью синуса.

магнитомер магнитный поле напряженность

Феррозондовые магнитометры обладают большой чувствительностью, и стабильностью в работе, способны измерять поля до десятков нанотесла.

Впервые для проведения измерений в космосе трехкомпонентный феррозондовый магнитометр был установлен на борту космической станции Луна10. Позже усовершенствованными феррозондовыми магнитометрами были исследованы магнитные поля Марса и Венеры.

Это результат для области, полученной по времени. Измеренная частота или скорость вращения также умножаются на число обмоток и поверхность катушки и разрешаются неизвестным В магнитного поля Земли. Влияние магнитного поля Земли на живых существ. Хотя естественное магнитное поле Земли очень слабое, оно по-прежнему влияет на многие биологические процессы. Например, у многих животных есть крошечные кристаллы магнетита в их органах, которые позволяют им перемещаться и перемещаться в неизвестных областях.

В случае колпачков конвертов эти кристаллы магнетита, Мыши, колибактерии, пчелы, бабочки, рыба, летучие мыши, рептилии и киты. Однако нарушения магнитного поля всегда приводят к отсутствию ориентации многих животных, что также отражается на возрастающем числе, Например, застрявшие киты, или даже метлы, часто теряют свое отношение.

Магнитоиндуктивные магнитометры

Функциональная схема магнитоиндуктивного магнитометра показана на рис. 6 а. Основу магнитометра составляет стабильный высокодобротный колебательный контур, который входит в состав генератора. Сердечник катушки индуктивности контура сделан из ферромагнетика. Изменение напряженности внешнего магнитного поля приводит к пропорциональному изменению индуктивности катушки и соответственно к изменению частоты генератора, рис. 6б. Таким образом, измеряя частоту сигнала можно судить об индукции измеряемого магнитного поля.

Применение микропроцессорной техники позволяет автоматизировать процесс измерения магнитного поля.

Такие магнитометры используются в составе электронных компасов морских судов.

Магниторезисторные датчики

Название магнитных датчиков говорит само за себя. Резистивные элементы, являющиеся элементами чувствительными к магнитному полю, впервые описал известный английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1856 году, чуть позже Карл Фридрих Гаксс. Тем не менее, явление изменения электрического сопротивления материала в магнитном поле называют эффектом Гаусса. Эффект изменения сопротивления в поле связан с искривлением траектории движения носителей тока под действием силы Лоренца. Это приведет к уменьшению силы тока, т.е. увеличению сопротивления проводника.

У чистых металлов отношение изменения сопротивления к исходной величине сопротивления незначительно и составляет доли процента. У полупроводников оно больше. Например, у германия оно равно трем. Основным полупроводниковым материалом для изготовления магниторезисторов является антимонид индия - InSb и арсенид индия InAs.

Уменьшение сопротивления в магнитном поле наблюдается только в специальных сплавах металлов с примесями марганца, хрома, кобальта. Объяснение этим эффектам дал японский физик Дзюн Кондо в 1964 году, по имени которого назван эффект.

Для измерения поля из магниторезисторов строится схема измерительного моста, рис. 7. На рис.8 показана схема измерительного моста, сделанная на кремниевой пластине в виде интегрального чипа.

Все четыре включенных в мост магниторезистора изменяют свое сопротивление при изменении измеряемого магнитного поля.

При этом следует обратить внимание на то, что изменения сопротивлений в смежных плечах противоположны по знаку. При воздействии магнитного поля одной полярности изменение сопротивлений резисторов R1 и R3 происходит с одним знаком (минус), изменение сопротивлений резисторов R2 и R4 с противоположным знаком (плюс). Такая схема моста позволяет увеличить чувствительность магнитометра по крайней мере в два раза, при всех равных условиях. Далее выходной сигнал (напряжение разбалансировки моста) поступает на вход линейного усилителя и далее на электронную схему обработки измеряемого сигнала (на рисунке не показана).

В настоящее время магниторезисторные датчики производятся серийно рядом американских фирм в виде интегральных микросхем, например, мост серии KMZ10 рис. 7.

Отечественная электронная промышленность выпускает магниторезисторы типа МР и СМ сопротивлением от 50 до 200 Ом, мощностью 0,125 Вт и 0,25 Вт. Конструкции магнитометров, построенных на основе магниторезисторных датчиков весьма несложны и дешевы, а также просты в эксплуатации. Они нашли применение в приборах для измерения магнитного поля Земли, в т.ч. и навигационных приборах.

Квантовые магнитометры

Принцип работы квантовых магнитометров основан на квантовых свойствах заряженных частиц, взаимодействующих с магнитным полем. Одним из таких свойств является прецессия электронов в однородном постоянном магнитном поле, которую предсказал еще в 1895 году английский физик Джозеф Лармор.

Согласно его рассуждениям уравнения движения системы электронов в магнитном поле сохраняют свой вид, если считать, что система отсчета вращается вокруг направления вектора индукции магнитного поля вместе с электронами, рис. 9с частотой:

щL= еH / 2 mc,

где e и m - заряд и масса электрона,

H - напряженность магнитного поля,

с - скорость света.

На рис. 9 черная стрелка показывает направление вектора напряженности магнитного поля, а красная - направление вектора магнитного момента электронов.

Такое вращение вектора магнитного момента электрона вокруг вектора напряженности магнитного поля, подобно вращению волчка (гироскопа), получило название ларморовой прецессии.

Как оказалось позже, ларморова прецессия характерна не только для электронов, но и атомов, ядер атомов и протонов, т.е. заряженных частиц, находящихся в магнитном поле и имеющих вектор момента импульса. Ларморовская прецессия обусловлена действием силы Лоренца, действующей на заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле. Например, ларморовская частота протона в магнитном поле индукцией 1 Тл составляет 42 МГц.

В протонном магнитометре датчиком служит рабочее вещество, молекулы которого содержат атомы водорода, например, дистиллированную воду или бензол.

Рабочее вещество в ампуле ставится внутри обмотки индуктивностью L, на которую подается прямоугольный импульс тока, создающий магнитное поле величиной около H0 = 10 мТл, рис. 10.

В магнитном поле обмотки магнитные моменты протонов принимают одинаковую ориентацию и создают общий суммарный магнитный момент.

После окончания импульса протоны начинают прецессировать в измеряемом магнитном поле вокруг вектора напряженности H. Синхронная прецессия протонов с суммарным магнитным моментом индуцирует в той же обмотке переменную ЭДС, частота которой равна частоте прецессии протонов. По измеренной частоте, индуцированной в обмотке ЭДС, из формулы вычисляется величина индукции магнитного поля.

Следует отметить, что амплитуда ЭДС составляет десятые доли микровольт. В связи с этим предъявляются высокие требования к усилителю, который должен усилить сигнал в миллионы раз и при этом обладать очень низким уровнем собственных шумов и линейностью. Чувствительность протонных магнитометров может достигать десятых долей нанотесла. Протонные магнитометры нашли широкое применение, как в области космических исследований, так и в быту, в качестве металлоискателей.

Магнитометры на эффекте Холла

Эффект Холла заключается в следующем: если пластинку из полупроводникового материала поместить в магнитное поле, вектор индукции которого В перпендикулярен плоскости пластины, и пропустить по ней ток I, то на боковых гранях пластинки возникает разность потенциалов - ЭДС Холла Ех, направленная перпендикулярно векторам B и I

где RX - постоянная Холла, определяемая материалом пластинки (германий, мышьяковистый индий, сурмянистый индий и т. д.) и Д - толщина пластинки.

Из уравнения следует, что если I = const, то EX = f(B).

Приборы, использующие эффект Холла, применяются для измерения индукции как постоянных, так и переменных магнитных полей в широком диапазоне частот. При этом стараются получить ЭДС Холла переменной, чтобы можно было использовать в схеме прибора усилитель переменного тока. Для этого при измерении индукции постоянного поля через пластинку (преобразователь Холла) пропускают переменный ток, а при измерении индукции переменного поля - постоянный.

Преобразователь Холла обладает высокой чувствительностью, малыми габаритами и независимостью Ех от частоты в достаточно широких пределах (до Гц). К недостаткам преобразователя Холла следует в первую очередь отнести зависимость его параметров от температуры. Для уменьшения влияния температуры преобразователь Холла в некоторых приборах заключают в термостат.

С целью повышения точности измерения ЭДС Холла всегда измеряется компенсационным методом.

В качестве датчиков Холла обычно применяют легированные полупроводники с преобладанием заряда одного знака, например, монокристаллы арсенида индия - InAs, арсенида галлия - GaAs, антимонида индия - InSb.

Преимуществами датчиков Холла являются их малые размеры (1 мм2 и менее) и малая масса, в связи с этим и очень малая инерционность, что позволяет применять их на частотах до Гц.

Как правило, перед проведением измерений магнитного поля для установления линейной зависимости величины ЭДС Холла от индукции магнитного поля датчик Холла калибруют по эталонному значению индукции магнитного поля.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Регулирование скорости тягового электродвигателя при изменении магнитного поля. Пересчет характеристик при изменении магнитного поля и смешанном возбуждении. Особенности магнитного потока при шунтировании сопротивления и изменением числа витков обмотки.

презентация , добавлен 14.08.2013

История открытия магнитного поля. Источники магнитного поля, понятие вектора магнитной индукции. Правило левой руки как метод определения направления силы Ампера. Межпланетное магнитное поле, магнитное поле Земли. Действие магнитного поля на ток.

презентация , добавлен 22.04.2010

Анализ источников магнитного поля, основные методы его расчета. Связь основных величин, характеризующих магнитное поле. Интегральная и дифференциальная формы закона полного тока. Принцип непрерывности магнитного потока. Алгоритм расчёта поля катушки.

дипломная работа , добавлен 18.07.2012

Магнитное поле - составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Магнитные свойства веществ. Условия создания и проявление магнитного поля. Закон Ампера и единицы измерения магнитного поля.

презентация , добавлен 16.11.2011

Геомагнитное поле земли. Причины возникновения магнитных аномалий. Направление вектора напряженности земли. Техногенные и антропогенные поля. Распределение магнитного поля вблизи воздушных ЛЭП. Влияние магнитных полей на растительный и животный мир.

курсовая работа , добавлен 19.09.2012

Обнаружение магнитоупругого эффекта при воздействии на феррит акустической волны при отсутствии и наличии внешнего постоянного магнитного поля. Исследование изменения магнитоупругого эффекта при изменении величины напряженности внешнего магнитного поля.

дипломная работа , добавлен 14.12.2015

Основные параметры электромагнитного поля и механизмы его воздействия на человека. Методы измерения параметров электромагнитного поля. Индукция магнитного поля. Разработка технических требований к прибору. Датчик напряженности электромагнитного поля.

курсовая работа , добавлен 15.12.2011

Расчет объемной плотности энергии электрического поля. Определение электродвижущей силы аккумуляторной батареи. Расчет напряженности и индукции магнитного поля в центре витка при заданном расположении проводника. Угловая скорость вращения проводника.

контрольная работа , добавлен 28.01.2014

Электрический заряд и закон его сохранения в физике, определение напряженности электрического поля. Поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле. Свойства магнитного поля, движение заряда в нем. Ядерная модель атома и реакции с его участием.

контрольная работа , добавлен 14.12.2009

Магнитное поле Земли и его характеристики. Понятие геомагнитных возмущений и их краткая характеристика. Механизм возмущения магнитного поля Земли. Влияние ядерных взрывов на магнитное поле. Механизм влияния различных факторов на геомагнитное поле Земли.

Избранная статья

Напряжённость магнитного поля

Общие сведения

Напряжённость магнитного поля и магнитная индукция. Казалось бы, зачем было физикам усложнять и без того сложные физические понятия при описании явлений магнетизма? Два вектора, одинаково направленные, отличающиеся разве что коэффициентом пропорциональности - ну какой в этом смысл с точки зрения простого человека, не слишком обременённого знаниями из области современной физики?

Тем не менее, именно в этом различии скрываются нюансы, позволившие учёным открыть и удивительные свойства различных веществ, и законы их взаимодействия с магнитным полем, и даже изменить наши представления об окружающем мире.

В действительности за этой разницей скрывается различный методологический подход. Упрощенно говоря, в случае использования понятия напряжённости магнитного поля мы пренебрегаем влиянием магнитного поля на вещество в конкретном случае; в случае применения понятия магнитной индукции, мы учитываем этот фактор.

С технической точки зрения, напряжённость магнитного поля сколь угодно сложной конфигурации достаточно просто рассчитать, а результирующую магнитную индукцию - измерить.

За этой кажущейся простотой скрывается титанический труд целой плеяды учёных, разделённых во времени и пространстве. Их идеи и концепции определили и определяют развитие науки и техники в прошлом, настоящем и будущем.

И неважно, как скоро мы овладеем термоядерной энергией с помощью нового поколения термоядерных реакторов, основанных на удержании «горячей» плазмы магнитным полем. Когда отправим в космос новые поколения исследовательских роботов на ракетах, основанных на применении иных принципов, чем сжигание химического топлива. Или, в частности, решим задачу коррекции орбит микроспутников двигателями Холла. Или насколько полно сможем утилизировать энергию Солнца, как быстро и дёшево мы сможем передвигаться по нашей планете - имена первопроходцев науки навеки останутся в нашей памяти.

Уже современному поколению учёных и инженеров двадцать первого века, вооружённому накопленными знаниями своих предшественников, покорится задача магнитной левитации, пока апробированная в лабораториях и пилотных проектах; и проблема извлечения энергии из окружающей среды с помощью технической реализации «демона Максвелла» с использованием невиданных до сих пор материалов и взаимодействий нового типа. Первые прототипы таких устройств уже появились на Kiсkstarter.

При этом будет решена главная проблема человечества - превращения в тепло накопленных за сотни миллионов лет запасов углей и углеводородов, нещадно изменяющих продуктами сгорания климат нашей планеты. И грядущая термоядерная революция, гарантирующая, вслед за её бездумным освоением, тепловую смерть всякой органической жизни на Земле, не станет смертным приговором цивилизации. Ведь энергия любого вида, которую мы расходуем, в конце концов превращается в тепло и нагревает нашу планету.

Дело за малым - временем; доживём - увидим!

Историческая справка

Несмотря на то, что сами магниты и явление намагничивания были известны издавна, научное изучение магнетизма началось с работ французского средневекового учёного Пьера Пелерена де Марикура в далёком 1269 году. Де Марикур подписывал свои труды именем Петруса Перегрина (лат. Petrus Peregrinus).

Исследуя поведение железной иглы возле сферического магнита, учёный обнаружил, что игла по-особенному ведёт себя возле двух точек, названных им полюсами. Так и подмывает дать аналогию с магнитными полюсами Земли, но в то время за такой образ мыслей легко можно было отправиться на костёр! Кроме того, исследователь обнаружил, что любой магнит всегда имеет (в современном представлении) северный и южный полюса. И как не распиливай магнит в продольном или в поперечном сечении, всё равно каждый из полученных магнитов всегда будет иметь два полюса, как бы тонок он ни был.

«Крамольная» идея о том, что Земля сама по себе является магнитом, была опубликована английским врачом и натуралистом Уильямом Гилбертом в работе «De Magnete», увидевшей свет почти три века спустя в 1600 году.

В 1750 году английский учёный Джон Митчелл установил, что магниты притягиваются и отталкиваются (взаимодействуют) в соответствии с законом «обратных квадратов». В 1785 году французский учёный Шарль Огюстен де Кулон экспериментально проверил предположения Митчелла и установил, что северный и южный магнитные полюса не могут быть разъединены. Тем не менее, по аналогии с открытым им ранее законом взаимодействия электрических зарядов, Кулон всё же предположил существование и магнитных зарядов - гипотетических магнитных монополей .

Основываясь на известных ему на то время фактов о магнетизме и на преобладающем в то время в науке методологическом подходе к построению теорий взаимодействия как о некоторых жидкостях, в 1824 году соотечественник Кулона Симеон Дени Пуассон создал первую успешную модель магнетизма. В его теоретической модели магнитное поле описывалось диполями магнитных зарядов.

Но буквально сразу же три открытия подряд поставили под сомнение модель Пуассона. Рассмотрим их ниже.

Датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1819 году заметил отклонение стрелки магнитного компаса при включении и отключении электрического тока, протекающего через проводник в виде проволоки, обнаружив, таким образом, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.

В 1820 году французский учёный Андре-Мари Ампер установил, что проводники с токами, текущими в одном направлении притягиваются, а в противоположном - отталкиваются. В том же 1820 году французские физики Жан-Батист Био и Феликс Савар открыли закон названный впоследствии их именами. Этот закон позволял рассчитать напряжённость магнитного поля вокруг любого проводника с током вне зависимости от его геометрической конфигурации.

Обобщая полученные теоретические и экспериментальные данные, Ампер высказал идею об эквивалентности электрических токов и проявлений магнетизма. Он разработал свою модель магнетизма, в которой заменил магнитные диполи циркуляцией электрических токов в крошечных замкнутых петлях. Модель проявления магнетизма Ампера имела преимущество перед моделью Пуассона, поскольку объясняла невозможность разделения полюсов магнитов.

Ампер также предложил для описания таких явлений термин «электродинамика», который расширил применение науки об электричестве к динамическим электрическим объектам, дополняя тем самым электростатику. Пожалуй, наибольшее влияние на понимание сути проявлений магнетизма оказала концепция представления взаимодействия магнитов через силовое поле, описываемое силовыми линиями, предложенная английским учёным Майклом Фарадеем. Открытое в 1831 году Фарадеем явление электромагнитной индукции позднее было объяснено немецким математиком Францем Эрнстом Нейманом. Последний доказал, что возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него, является просто следствием закона Ампера. Нейман ввел в обиход науки понятие векторного магнитного потенциала, который во многом эквивалентен напряжённости силовых линий магнитного поля Фарадея.

Окончательную точку в споре двух моделей магнетизма поставил в 1850 году выдающийся английский физик Уильям Томпсон (лорд Кельвин). Введя понятие намагниченности среды M , в которой имеется магнитное поле, он не только установил зависимость между напряжённостью магнитного поля H и вектором магнитной индукции B , но и определил области применимости этих понятий.

Напряжённость магнитного поля. Определение

Напряжённость магнитного поля - это векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности М . В Международной системе единиц (СИ) значение напряжённости магнитного поля определяется формулой:

H = (1/μ 0) ∙ B - M

где μ0 - магнитная постоянная, иногда её называют магнитной проницаемостью вакуума

В системе единиц СГС напряженность магнитного поля определяется по другой формуле:

Н = B - 4∙π∙М

В Международной системе единиц СИ напряжённость магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м), в системе СГС - в эрстедах (Э).

В электротехнике встречается также внесистемная единица измерения напряжённости - ампер-виток на метр. С другими величинами измерения напряжённости магнитного поля, применяемыми в различных приложениях, и их переводами из одной величины в другую, можно ознакомиться в конвертере физических величин.

Измерительные приборы для измерения величины напряжённости магнитного поля, как и приборы для измерения магнитной индукции, называют тесламетрами или магнитометрами.

Напряжённость магнитного поля. Физика явлений

Исследовательский токамак (то роидальная ка мера с ма гнитными катушками), работавший в научно-исследовательском институте государственной энергетической компании Hydro-Québec в пригороде Монреаля c 1987 по 1997 год, когда проект был закрыт для экономии бюджетных средств. Установка находится в экспозиции Канадского музея науки и техники

В вакууме (в классическом понимании этого термина) или в отсутствие среды, способной к магнитной поляризации или в случаях, когда магнитной поляризацией среды можно пренебречь, напряжённость магнитного поля Н совпадает (с точностью до коэффициента) с вектором магнитной индукции В . Для системы СГС этот коэффициент равен 1, для системы единиц СИ - μ0.

Напряжённость магнитного поля обусловлена свободными (внешними) токами, которые легко измерить или рассчитать. То есть напряжённость имеет смысл для внешнего магнитного поля, создаваемого катушкой с током, в которую вставлен материал, способный намагничиваться. Если нас не интересует поведение материала под действием магнитного поля, то достаточно оперировать только напряжённостью магнитного поля. Например, напряженности будет достаточно для технического расчёта взаимодействия магнитных полей двух или более катушек с током. Результирующая напряжённость будет векторной суммой полей, создаваемых отдельными катушками с током.

Поскольку большинство электромагнитных устройств работает в воздушной среде, важно знать её магнитную проницаемость. Абсолютная магнитная проницаемость воздуха приблизительно равна магнитной проницаемости вакуума и в технических расчётах принимается равной 4π 10⁻⁷ Гн/м.

Иное дело, когда нас интересует именно поведение среды, способной к намагничиванию, например, при использовании ядерных магниторезонансных явлений. При ЯМР ядра атомов, иначе называемые нуклонами и обладающие полуцелым спином (магнитным моментом), при воздействии магнитного поля поглощают или излучают электромагнитную энергию на определённых частотах. В этих случаях необходимо учитывать именно магнитную индукцию.

Применение напряжённости магнитного поля в технике

В большинстве случаев практического применения магнитного поля, например, для его создания или для измерения его величины, напряжённость магнитного поля играет ключевую роль. Существует множество примеров использования магнитного поля, в первую очередь в измерительной технике и в различных установках для проведения экспериментов.

Магнитное поле определённой силы и конфигурации удерживает плазменные шнуры или потоки заряженных частиц в исследовательских термоядерных реакторах и в ускорителях элементарных частиц, предотвращая тем самым охлаждение плазмы при контакте с ограждающими стенками. Оно же отклоняет потоки ионов или электронов в спектрометрах и кинескопах.

Измерение напряжённости магнитного поля Земли в различных точках очень важно для оценки состояния её магнитосферы. Существует даже целая сеть наземных станций и группировок научных спутников для мониторинга напряжённости магнитного поля Земли. Их работа позволяет предсказывать магнитные бури, возникающие на Солнце, сводя к минимуму, насколько это возможно, их последствия.

Измерение напряженности поля даёт возможность проводить различные изыскания, сортировать материалы и мусор, а также обеспечивать нашу безопасность, обнаруживая оружие террористов или заложённые мины.

Магнитометры

Магнитометрами называется целый класс измерительных приборов, предназначенных для измерения намагниченности материалов или для определения силы и направления магнитного поля.

Первый магнитометр был изобретён великим немецким математиком и физиком Карлом Фридрихом Гауссом в 1833 году. Этот прибор представлял собой оптический прибор с крутящимся намагниченным стержнем, подвешенным на золотой нити, и приклеенным к нему перпендикулярно оси магнита зеркалом. Измерялось различие колебаний намагниченного и размагниченного стержня.

Ныне используются более чувствительные магнитометры на иных принципах, в частности, на датчиках Холла, джозефсоновских туннельных контактах (СКВИД-магнитометры) индукционные и на ЯМР-резонансе. Они находят широкое применение в различных приложениях: измерении магнитного поля Земли, в геофизических исследованиях магнитных аномалий и в поиске полезных ископаемых; в военном деле для обнаружения объектов типа подводных лодок, затонувших кораблей или замаскированных танков, искажающих своим полем магнитное поле Земли; для поиска неразорвавшихся или заложенных боеприпасов на местах ведения боевых действий. В связи с миниатюризацией и снижением потребления тока, современными магнитометрами оснащаются смартфоны и планшеты. Ныне магнитометры входят как неотъемлемый компонент в оборудование разведывательных беспилотных летательных аппаратов и спутников-шпионов.

Любопытная деталь: в связи с повышением чувствительности магнитометров, одним из факторов перехода строительства подводных лодок на титановые корпуса вместо стальных корпусов было именно радикальное снижение их заметности в магнитном поле. Ранее подлодкам со стальным корпусом, как, впрочем, и надводным кораблям, приходилось время от времени проходить процедуру демагнетизации.

Магнитометры применяются при бурении скважин и проходке штолен, в археологии для оконтуривания раскопок и поиска артефактов, в биологии и медицине.

Металлодетекторы

Попытки использования напряжённости магнитного поля в военном деле предпринимались со времён Первой мировой войны, оставившей на полях сражений миллионы неразорвавшихся боеприпасов и установленных мин. Наиболее удачной оказалась разработка в начале 40-х годов прошлого столетия, поручика польской армии Юзефа Станислава Косацкого, принятая на вооружение британской армией и сослужившая немалую пользу при обезвреживании минных полей во время преследовании отступающих немцев войсками генерала Монтгомери при второй битве под Эль-Аламейном. Несмотря на то, что оборудование Коcацкого было выполнено на электронных лампах, оно весило всего 14 килограммов вместе с аккумуляторами питания и было настолько эффективным, что его модификации использовались британской армией в течение 50 лет.

Теперь нас не удивляет, в связи с распространением терроризма, прохождение перед посадкой на самолёт или на футбольные матчи сквозь индукционные рамки металлодетекторов, обследование охраной объектов нашего багажа или личный досмотр ручными металлоискателями на предмет обнаружения оружия.

Широкое распространение получили и бытовые металлоискатели, на пляжах модных курортов стала привычной картина искателей утерянных сокровищ, прочёсывающих местные пляжи в надежде найти что-либо ценное.