7.4. Приборы для измерения параметров магнитных полей

Магнитомеханическими называют такие магнитные приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии постоянного магнита с магнитным полем. В зависимости от наличия или отсутствия противодействующего момента магнитомеханические приборы можно разделить на две группы. К первой группе относятся приборы, в которых магнит свободно поворачивается под действием магнитного поля и принимает положение, соответствующее направлению вектора магнитной индукции. Две наиболее распространенных конструкции показаны на рис. 7.10 (а, б).

Рис. 07.10. Конструкции магнитомеханических преобразователей

Магнитомеханические преобразователи первого типа используются в приборах, предназначенных для измерения направления магнитного поля - в компасах,буссолях,инклинаторах и т. д.

Ко второму типу магнитомеханических преобразователей относят такие, в которых магнитный момент уравновешивается механическим моментом. Такие приборы и преобразователи могут использоваться для измерения модуля В по измерению величины уравновешивающего момента. На рис. 7.10 (в)показана схема такого преобразования, используема в приборе системы Боброва. Здесь магнит 1 укрепляется на кварцевых нитях 2 и на скобе 3 таким образом, чтобы при повороте магнита его момент уравновешивался бы упругим моментом нити, возникающем при ее закручивании. Угол закручивания регистрируется по отражению луча света от зеркала 4, наклеенного на магнит. В приборе имеется демпфирующая система 5, гасящая высокочастотные колебания магнита.

Если закручивающий момент пропорционален углу закручивания а, то условие равновесия индикаторного устройства имеет вид

(7.16)

где m - момент постоянного магнита; θ - угол между векторами ; с - жесткость кварцевой нити.

Из равенства 7.16 следует, что магнитомеханический преобразователь второго типа позволяет измерять величину магнитной индукции, если его показания соответствующим образом проградуировать.

Существуют магнитомеханические преобразователи, в которых на одной и той же нити укреплены два магнита. В этом случае, если их расположить одноименными полюсами друг к другу, такая система не будет чувствительной к постоянному магнитному полю. Такие преобразователи получили название астатических и используются для измерений параметров неоднородного магнитного поля.

Одно из основных достоинств механических преобразователей состоит в возможности их использования для абсолютного измерения модуля магнитной индукции B₀. Впервые этот метод был предложен Гауссом и состоит в измерениях периода качания в горизонтальной плоскости магнита, помещенного в измеряемое поле, и наблюдении угла отклонения другого магнита, вызываемого первым магнитом. Положения, в котором находятся отклоняющий магнит NS и стрелка второго магнита ns могут быть любыми, однако для упрощения расчетов и понимания сущности метода достаточно рассмотреть положения, предложенные Гауссом (рис. 7.11).

Рис. 07.11. Взаимное расположение магнитов в тесламетре Гаусса

При таком расположении отклоняющего магнита NS и отклоняемого ns существует однозначная связь между магнитной индукцией B₀ и углом отклонения q магнита ns. В современных тесламетрах вместо отклоняющего магнита NS устанавливают катушки с током - кольца Гельмгольца, которые создают изменяющиеся с полупериодом Т магнитное поле.

Принцип действия тесламетра, схема которого дана на рис. 7.11, состоит в измерении угла закручивания нити подвеса стрелки отклоняемого магнита в двух положениях: без влияния отклоняющего магнита и при наличии последнего. Если отклоняющий магнит создает переменное поле с амплитудой dB₀, то изменение угла отклонения магнита ns однозначно связано с амплитудой dB₀ и амплитудой угла отклонения ns, равного θ_m. Связь между этими величинами дается формулой:

(7.17)

где М - магнитный момент магнита NS; - проекция амплитуды изменяющегося магнитного поля на плоскость колебаний; с - коэффициент кручения нити подвеса магнита ns. Из формулы 7.17 следует, что измерив угол отклонения θ_m магнита ns и зная амплитуду изменения переменного поля, вызванного магнитом NS, можно измерять кoэффициeнт S, который будет являться чувствительностью механического преобразователя к магнитной индукции в переменном поле.

В реальных конструкциях можно не измерять и не вычислять все необходимые для измерения параметры, влияющие на показания магнетометра по схеме Гаусса. Если в процессе измерения не изменяется расстояние между магнитами, не изменяется схема расположения отклоняющего и отклоняемого магнита, создающего переменное магнитное поле, то абсолютное значение составляющей вектора магнитной индукции в плоскости расположения магнитов пропорционально углу закручивания нити.

В качестве примера использования описанного принципа приведем схему абсолютного магнитного теодолита, разработанного во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Схема прибора дана на рис. 7.12.

Рис. 07.12. Схема абсолютного магнитного теодолита

Абсолютный магнитный теодолит используется как средство измерения горизонтальной составляющей магнитного поля земли, а также для воспроизведения единиц магнитной индукции и магнитного потока. Для этой цели в конструкции теодолита предусмотрена вторая пара колец Гельмгольца (5 на рис. 07.12). Значения магнитной индукции и магнитного потока задаются пропусканием определенного постоянного тока через катушки 5, который вызовет определенное отклонение магнита с зеркалом 1 (рис. 7.12).