5.3 Вимірювання параметрів магнітного поля Пристрої для створення магнітного поля

При калібруванні вимірювальних котушок і дослідженнях магнітних властивостей об’єктів потрібно створювати магнітні поля певної напруженості в заданих об’ємах. Відповідні магнітні поля можна створювати за допомогою намагнічуючих котушок, кілець Гемгольца, намагнічуючих електромагнітів.

Н

Рисунок 5.9 - Види намагнічуючих котушок.

амагнічуючі котушки (рис. 5.9) можуть бути циліндричними (соленоїди) одно- чи багатошаровими, а також спеціальної форми і конструкції.

Напруженість магнітного поля одношарового соленоїда визначається як:

Н=Іw/l, (5.18)

де І – намагнічуючий струм; w – число витків котушки; l – її довжина. Ця формула справедлива лише для соленоїда нескінченної довжини і тим точніша, чим більше відношення його довжини l до діаметра d. Зазвичай в таких котушках l/d=40…50. Розраховане за наведеною формулою значення напруженості поля має місце в центральній частині котушки, а на її краях напруженість зменшується. Для збільшення рівномірності магнітного поля намагнічуючих котушок їх одношарову обмотку інколи наносять не на циліндричний, а на елепсоїдний каркас (див. рис. 5.9).

Кільця (котушки) Гемгольца (рис. 5.10) застосовують для створення однорідного магнітного поля незначної напруженості (до кількасот А/см) у порівняно великому об’ємі. В центрі такої котушки напруженість поля

, (5.19)

де R – радіус котушки. Нерівномірність поля на відстані X=R/4 від центра таких котушок не перевищує 0,5…0,75%.

Рисунок 5.10 - Котушка Гольмгольца.

Намагнічуючі електромагніти застосовують для створення магнітних полів напруженістю від 1000 до 40 000 А/см в малих об’ємах. Слід зауважити, що внаслідок порівняної малості об’єму простору між полюсами електромагніту нерівномірність поля тут значно більша.

Вимірювання магнітного потоку

Для вимірювань магнітного потоку постійного магнітного поля найчастіше використовують вимірювальні котушки – нерухомі або поворотні. При цьому вимірюють імпульс струму або імпульс напруги, що виникає при зміні повного потоку, який зчіплюється з витками вимірювальної котушки.

Вимірювання магнітного потоку за допомогою балістичного гальванометра грунтуються на вимірюванні за його допомогою імпульсу струму (рис. 5.11, а). Зміна потокозчеплення ∆ψ вимірювальної котушки визначається за формулою:

∆ψ= C_б R α_max =C_ψ α_max, (5.20)

д

Рисунок 5.11 - Вимірювання магнітного потоку за допомогою балістичного гальванометра.

е С_б і R – ціна поділки і повний опір балістичного гальванометра відповідно; α_max – перша (максимальна) амплітуда відхилення рухомої частини гальванометра; C_ψ= C_б R – ціна поділки балістичного гальванометра по потокозчепленню (знаходиться експериментально).

Вимірявши ∆ψ і знаючи число w витків котушки, можна знайти значення вимірюваного потоку:

– для випадку, коли для зміни повоного потоку від ψ_х до нуля котушка, наприклад, виноситься за межі поля;

– для випадку, коли для зміни повоного потоку від +ψ_х до –ψ_х котушка, наприклад, повертається на 180˚.

Калібрування балістичного гальванометра, тобто визначення C_ψ, здійснюють за схемою, показаною на рис. 5.12, б. Вимірювальна котушка під’єднується до кола гальванометра і при його калібруванні – щоб зберегти незмінним опір кола. Ціна поділки C_ψ гальванометра по потокозчепленню визначається як

, (5.21)

де М – коефіцієнт взаємної індуктивності котушки; ∆І₁ – зміна струму; α_max0 – відхилення показчика гальванометра, спричинене зміною струму ∆І₁.

Вимірювання магнітного потоку за допомогою веберметра здійснюється за схемою, зображеною на рис. 5.12. Відхилення показчика веберметра пропорційне зміні потоку.

О

Рисунок 5.12 - Вимірювання магнітного потоку за допомогою веберметра.

скільки механізм приладу не має механічного протидіючого моменту і стрілка може займати довільне положення на шкалі, до його схеми вводиться коректор, що служить для повернення показчика в нульове положення. При коректуванні рухома рамка вимірювального механізму під’єднується до коректуючої котушки, розміщеній в магнітному полі постійного магніту.

Перевагою цього приладу перед балістичним гальванометром є те, що ціна його поділки практично не залежить від від значення опору кола веберметра – це означає, що прилад може мати градуйовану шкалу і тому перед вимірюванням проводити калібрування вже не потрібно. Все це справедливо, щоправда, при умові, що опір зовнішнього кола не переверщує допустимих значень, наведених у паспорті приладу. Важливою перевагою веберметра є й те, що його покази мало залежать від швидкості зміни потокозчеплення.

Похибка вимірювання магнітних потоків такими приладами не перевищує 1…1,5%, однак їх чутливість на один-два порядки нижча, ніж у балістичних гальванометрів.

Визначення змінного магнітного потоку за допомогою нерухомих вимірювальних котушок зводиться до вимірювання наведеної в котушці ЕРС:

/див. розд. 5.2.1/. (5.22)

Взагалі, коли крива досліджуваного потоку не є синусоїдною функцією часу, для визначення Ф_max слід вимірювати середнє значення ЕРС. Якщо ж відомо, що форма кривої синусоїдна (К_ф=1,11), то можна вимірювати діюче значення ЕРС – Е. Одночасне вимірювання діючого Е та середнього Е_сер значень ЕРС дає змогу визначити коефіцієнт форми кривої. Слід пам’ятати, що вимірювання цих ЕРС слід проводити високоомними вольтметрами (наприклад, електронними) для зменшення систематичної складової похибки, обумовленої споживанням приладу.