7.3. Магнитные преобразователи

Классификация магнитных преобразователей и приборов по принципу физического явления можно условно разделить на два класса в соответствии с рассмотренными в предыдущем разделе силовым взаимодействием и с явлением электромагнитной индукции. Существует еще промежуточная группа приборов и преобразователей, основанных на гальваномагнитных и магнетронных явлениях. Схема, обозначающая разделенные таким образом приборы для магнитных измерений, приведена на рис. 7.9.

Рис. 07.09. Классификация приборов для магнитных измерений

Механические преобразователи содержат в качестве чувствительного элемента магниты и контуры с током и делятся на пассивные и активные. Пассивные выглядят в виде свободно поворачивающихся стрелок и используются либо для определения направления вектора В, либо для оценки величины В по уравновешивающему механическому моменту стрелки известным моментом.

Активные механические преобразователи основаны на свободных колебаниях стрелки в измеряемом поле и определяют величину вектора В по периоду или частоте колебаний стрелки.

В квантовых преобразователях используется явление прецессии электронных или ядерных моментов атомов, составляющих вещество, вокруг направления магнитного поля. Принцип действия таких приборов основан на резонансном увеличении поглощения энергии внешнего ВЧ или СВЧ

поля на частотах, соответствующих разности энергий дискретных уровней в атоме. Другим квантовым эффектом, связанным с наличием магнитных полей, является эффект Зеемана - расщепление спектральных линий атомов на ряд дополнительных линий. При этом величина расщепления однозначно связана с величиной магнитного поля. О величине электрического поля, окружающего атомы, можно судить и по уширению контуров спектральных линий - так называемое уширение Штарка.

Магнитометрические индукционные приборы, действие которых основано на явлении электромагнитной индукции, в качестве чувствительного элемента содержат катушку. При этом выходным сигналом является э. д. с., наводимая в этой катушке. Если поле постоянно, то катушку нужно двигать или вращать в поле, т. к. э.д.с. зависит от производной ds/dt.

Ферроиндукционные преобразователи в качестве чувствительного элемента содержат ферромагнитный сердечник, который перемещается в пространстве и создает э. д. с. индукции за счет изменения параметров магнитной цепи. Этот принцип станет более понятным из дальнейшего рассмотрения конкретных схем ферромагнитных приборов.

Сверхпроводниковые магнитные приборы образуют специфическую группу преобразователей в связи с тем, что особенности явления сверхпроводимости позволяют создать целый набор преобразователей, в которых используются различные эффекты сверхпроводимости. Одним из таких эффектов является эффект Мейснера - вытеснение магнитного поля из объема сверхпроводника при достижении критической температуры. Магнитное поле не может проникнуть внутрь сверхпроводника, поскольку у него нет сопротивления и носители заряда, свободно перемещаясь внутри сверхпроводника, компенсируют внешнее магнитное поле.

Другой совокупностью эффектов сверхпроводимости, которая открыла возможности применения этого явления в измерительной технике, являются эффекты Джозефсона. Сущность этого эффекта состоит в появлении переменного тока в цепи, состоящей из двух сверхпроводников, разделенныхтонким слоем диэлектрика. Частота этого тока зависитот разности потенциалов и атомных констант:

(7.15)

где е - заряд электрона; h - постоянная Планка. Ток через контакт Джозефсона появляется только начиная с некоторого критического значения, которое сильно зависит от внешнего магнитного поля.

Гальваномагнитные и магнетронные преобразователи специфичны тем, что с одной стороны принцип их работы связан с силовыми взаимодействиями (искривление траекторий движения свободных зарядов), а с другой - близки к индукционным явлениям. Принципиально можно согласиться с теми авторами, которые считают, что силы, действующие в магнитном поле на движущиеся заряды в неподвижных телах (силовые взаимодействия) и силы, действующие на свободные заряды в движущихся телах (явления электромагнитной индукции), имеют одну природу.