Principi di misura dei campi magnetici, strumenti per la misura dei parametri del campo magnetico

Le prime bussole magnetiche che indicavano le direzioni verso i poli magnetici della Terra apparvero nel III secolo aC in Cina. Questi erano dispositivi sotto forma di mestoli rotondi a manico corto fatti di minerale di ferro magnetico.

Il cucchiaio veniva posto con la sua parte convessa su una superficie liscia di rame o di legno, sulla quale venivano tracciate delle divisioni con le immagini dei segni dello zodiaco, indicanti i punti cardinali. Per attivare la bussola, il cucchiaio è stato leggermente premuto e ha iniziato a ruotare. Alla fine, quando il cucchiaio si fermò, il suo manico era puntato nel modo giusto verso il polo sud magnetico terrestre.

Dal XII secolo, le bussole furono utilizzate attivamente dai viaggiatori in Europa. Sono stati installati sia su navi da trasporto terrestre che su navi marittime per determinare la deviazione magnetica.

Dalla fine del Settecento i fenomeni magnetici divennero oggetto di attento studio da parte degli scienziati dell'epoca. Pendant nel 1785 propose un metodo per quantificare la forza del campo magnetico terrestre. Nel 1832Gauss ha mostrato la possibilità di determinare il valore assoluto dell'intensità del campo magnetico attraverso misurazioni più accurate.

La connessione tra fenomeni magnetici ed effetti di forza osservati durante il movimento di cariche elettriche fu stabilita per la prima volta nel 1820 da Oersted. Maxwell scriverà in seguito questa relazione in forma razionale: sotto forma di equazioni matematiche (1873):

Ad oggi, la seguente tecnica viene utilizzata per misurare i parametri del campo magnetico:

• teslametri - dispositivi per misurare i valori della forza H o l'induzione del campo magnetico B;

• webmeters - strumenti per misurare la grandezza del flusso magnetico Ф;

• gradiometri — dispositivi per misurare le disomogeneità del campo magnetico.

esistono anche:

• dispositivi per misurare il momento magnetico M;

• strumenti per misurare la direzione del vettore B;

• strumenti per la misura delle costanti magnetiche di vari materiali.

Vettore di induzione magnetica B caratterizza l'intensità della forte azione laterale campo magnetico (al polo o alla corrente) ed è quindi la sua caratteristica principale in un dato punto dello spazio.

Pertanto, il campo magnetico in esame può interagire fortemente con un magnete o un elemento corrente ed è anche in grado di indurre un EMF di induzione nel circuito se il campo magnetico che penetra nel circuito cambia nel tempo o se il circuito cambia posizione rispetto a il campo magnetico.

Un elemento percorso da corrente di lunghezza dl in un campo magnetico di induzione B sarà influenzato da una forza F, il cui valore può essere trovato utilizzando la seguente formula:

Pertanto, l'induzione B del campo magnetico studiato può essere trovata dalla forza F, che agisce su un conduttore di una data lunghezza l, con una corrente continua di valore noto I, posto in questo campo magnetico.

In pratica, le misurazioni magnetiche vengono eseguite convenientemente utilizzando una quantità chiamata momento magnetico. Il momento magnetico Pm caratterizza il contorno della regione S con la corrente I, e la grandezza del momento magnetico è determinata come segue:

Se viene utilizzata una bobina con N spire, il suo momento magnetico sarà pari a:

Il momento meccanico M della forza di interazione magnetica può essere trovato sulla base dei valori del momento magnetico Pm e dell'induzione del campo magnetico B come segue:

Tuttavia, per misurare un campo magnetico, non sempre è conveniente utilizzare le sue manifestazioni di forza meccanica. Fortunatamente, c'è un altro fenomeno su cui puoi contare. Questo è il fenomeno dell'induzione elettromagnetica. La legge dell'induzione elettromagnetica in forma matematica è scritta come segue:

Pertanto, il campo magnetico si manifesta come forze o campi elettromagnetici indotti. In questo caso, la sorgente del campo magnetico stesso, come è noto, è una corrente elettrica.

Se è nota la corrente che genera il campo magnetico in un dato punto nello spazio, allora si può trovare l'intensità del campo magnetico in quel punto (a una distanza r dall'elemento corrente) utilizzando la legge di Biot-Savart-Laplace:

Va notato che l'induzione magnetica B nel vuoto è correlata all'intensità del campo magnetico H (generato dalla corrente corrispondente) dalla seguente relazione:

La costante magnetica del vuoto nel sistema SI è definita in ampere.Per un mezzo arbitrario, questa costante è il rapporto tra l'induzione magnetica in un dato mezzo e l'induzione magnetica nel vuoto, e questa costante è chiamata permeabilità magnetica del mezzo:

La permeabilità magnetica dell'aria coincide praticamente con la permeabilità magnetica del vuoto; quindi, per l'aria, l'induzione magnetica B è praticamente identica alla sollecitazione del campo magnetico H.

Unità di misura dell'induzione magnetica in NE - Tesla [T], nel sistema CGS - Gauss [G] e 1 T = 10000 G. I dispositivi di misurazione per determinare l'induzione del campo magnetico sono chiamati teslametri.

L'intensità del campo magnetico H è misurata in ampere per metro (A/m), 1 ampere/metro essendo definita come l'intensità del campo magnetico di un solenoide di lunghezza infinita con densità di giri unitari quando una corrente del solenoide di 1 ampere lo attraversa. Un ampere per metro può essere definito in un altro modo: è l'intensità del campo magnetico al centro di un circuito circolare con una corrente di 1 ampere con un diametro dell'anello di 1 metro.

Qui vale la pena notare un valore come il flusso magnetico di induzione - F. Questa è una quantità scalare, nel sistema SI è misurata in Webers e nel sistema CGS - in Maxwells, con 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber è un flusso magnetico di tale entità che quando diminuisce a zero, una carica di 1 coulomb passerà attraverso un circuito conduttore con una resistenza di 1 Ohm collegata ad esso.

Se prendiamo il flusso magnetico F come valore iniziale, allora l'induzione del campo magnetico B non sarà altro che la densità del flusso magnetico. I dispositivi per misurare il flusso magnetico sono chiamati webmeters.

Abbiamo notato sopra che l'induzione magnetica può essere determinata dalla forza (o dal momento meccanico) o dall'EMF indotto nel circuito. Si tratta delle cosiddette conversioni di misura diretta, in cui il flusso magnetico o induzione magnetica è espresso da un'altra grandezza fisica (forza, carica, momento, differenza di potenziale) che è univocamente correlata alla grandezza magnetica mediante una legge fisica fondamentale.

Le trasformazioni in cui l'induzione magnetica B o il flusso magnetico F è attraverso la corrente I o la lunghezza l o il raggio r sono chiamate trasformazioni inverse. Tali trasformazioni vengono effettuate sulla base della legge di Biot-Savart-Laplace, utilizzando la nota relazione tra l'induzione magnetica B e l'intensità del campo magnetico H.