Приборы для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля.

а) Тесламетры с преобразователем Холла.

Тесламетр - магнитоизмерительный прибор для измерения магнитной индукции, шкала которого проградуирована в единицах магнитной индук­- ции - теслах.

Преобразователем в таком приборе является гальваномагнитный преобразователь Холла. Эффект Холла заключается в возникновении ЭДС на боковых гранях помещенной в магнитное поле полупроводниковой пластинки, если по ней протекает ток.

Принцип действия тесламетра поясняется рисунке 9.3, где ПХ - преобразователь Холла, У - усилитель,  - милливольтметр.

                                           Рисунок 9.3

 

При помещении пластины (преобразователь Холла) в магнитное поле, вектор индукции В которого перпендикулярен плоскости пластины, на боковых гранях ее возникает ЭДС Холла

                                           ,                                           (9.6)

где  - постоянная Холла, зависящая от материала пластинки,

h - толщина пластинки,

I - ток через пластинку.

После усиления ЭДС Холла измеряется компенсатором постоянного тока или милливольтметром, шкала которого проградуирована в единицах магнитной индукции при условии постоянства силы тока.

Достоинством тесламетров с преобразователем Холла является возможность измерения параметров постоянных, переменных (в широком диапазоне частот) и импульсных магнитных полей, хорошее пространственное разрешение благодаря малым размерам преобразователей. Недостатком является сравнительно большая зависимость ЭДС от температуры.

Выпускаемые промышленностью тесламетры такого типа имеют диапазон измерений от  до 2 Тл, основную приведенную погрешность порядка .

б) Ферромодуляционные тесламетры.

В них используются ферромодуляционные преобразователи (феррозонды), принцип работы которых основан на особенностях изменения магнитного состояния ферромагнитного сердечника при одновременном воздействии на него переменного и постоянного поля (либо двух переменных полей различных частот) и явлении электромагнитной индукции.

На рисунке 9.4. приведена схема уравновешивающего компенсационного тесламетра с наиболее распространенным дифференциальным ферромодуляционным преобразователем. В таком приборе магнитная индукция (напряженность) измеряемого поля компенсируется (уравновешивается) в преобразователе соответствующим параметром образцового поля, создаваемого цепью обратной связи.

Дифференциальный ферромодуляционный преобразователь состоит из двух идентичных сердечников С, одинаковых, включенных встречно, обмоток возбуждения , которые питаются переменным током от генератора Г.

Оба сердечника охватывает индикаторная обмотка . При отсутствии измеряемого постоянного поля В _ ЭДС индикаторной обмотки равна нулю, т. к. потоки создаваемые обмотками  равны и направлены встречно. При появлении измеряемого постоянного поля В _, вектор которого параллелен сердечникам, возникает в индикаторной обмотке ЭДС, четные гармоники которой, в частности ЭДС второй гармоники, линейно зависят от магнитной индукции (или напряженности) этого поля

,

где k и k ₁ - коэффициенты преобразования, зависящие от параметров ферромодуляционного преобразователя, частоты и значения напряженности поля возбуждения;

В _ и Н _ - измеряемые магнитная индукция и напряженность поля соответственно.   

 

                              Рисунок 9.4

 

Выходной сигнал преобразователя поступает на избирательный усилитель ИУ, усиливающий вторую гармонику, затем на синхронный выпрямитель СВ, синхронизируемый генератором Г. Выпрямитель преобразует ЭДС Е ₂ в постоянный ток , который протекает через обмотку обратной связи , создающую компенсирующее поле с индукцией . В процессе измерения автоматически устанавливается такое значение , что величина  становится равной величине В _ и обратной по направлению. Миллиамперметр (в настоящее время в основном цифровой прибор), включенный в цепь обмотки обратной связи, градуируют в теслах (для В) или в А/м (для Н).

Приборы с феррозондами обладают высокой чувствительностью, высокой точностью измерения, относительно высоким быстродействием, позволяют вести непрерывные наблюдения, что обусловило их широкое распространение (в частности для измерения магнитного поля Земли). Применяются для измерения малых постоянных и низкочастотных переменных магнитных полей. Диапазон измерений лежит в пределах от 10^-6 до 1 мТл; погрешность измерения от 1,0 до 5,0%.

в) Ядерно-резонансные тесламетры.

Преобразователи таких приборов используют квантовое явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), которым обладают материалы, содержащие ядра атомов, имеющих магнитный момент (например, вода, содержащая ядра атомов водорода). Если образец такого материала поместить в измеряемое постоянное поле с индукцией В _ и, кроме того, воздействовать на него переменным высокочастотным полем с индукцией В _~  и изменяющейся частотой, то при некотором значении частоты f возникает резонансное поглощение высокочастотной энергии образцом. Эта частота равна

                                        ,                                            (9.7)

где  - гиромагнитное отношение (отношение магнитного момента ядра атома к моменту количества движения - величина постоянная для данного вида атомов).

Принцип измерения индукции магнитного поля при помощи ЯМР-преобразователей (ЯМПР) иллюстрируется рисунке 9.5.

                                      Рисунок 9.5

 

Образец, (например, ампула с водой или водным раствором FeCl ₂) помещается внутрь катушки К. Катушка включена в контур перестраиваемого высокочастотного генератора ГВЧ, возбуждающего в образце высокочастотное магнитное поле В _~, расположенное обязательно перпендикулярно измеряемому полю В _. Плавное изменение частоты ГВЧ позволяет установить частоту f ядерно-магнитного резонанса данного образца (рост поглощения высокочастотной энергии ядрами вещества). При резонансе напряжение на зажимах катушки К уменьшается, что фиксируется с помощью детектора Д и электронно-лучевого осциллографа ЭЛО. Частота f измеряется цифровым частотомером ЦЧ. Гиромагнитное отношение  определено для атомов некоторых веществ с высокой точностью (например, для атомов водорода - ). Поэтому тесламетры с ЯМРП обладают высокой точностью (погрешность может не превышать 2¸5 %) и широким диапазоном измерений (10^-5 - 10² Тл).

Ядерно-резонансные тесламетры в сочетании со специальными преобразователями силы тока в напряженность магнитного поля, применяют и для измерения больших токов с высокой точностью.

г) Тесламетры, использующие явление сверхпроводимости.

В последнее время для создания магнитоизмерительных приборов используют явление сверхпроводимости, которое в сочетании с эффектами Мейснера, Джозефсона и др. позволяет создавать приборы уникальной чувствительности, высокой точности и быстродействия.

Обычно магнитоизмерительный преобразователь таких приборов представляет собой цилиндр из сверхпроводящего материала, на который намотана измерительная катушка. Цилиндр с катушкой помещается в криостат, где охлаждается до момента возникновения сверхпроводимости. На цилиндре имеется нагреватель, который совместно с криостатом обеспечивает периодический (например, с частотой 1 МГц) нагрев и охлаждение его до температуры большей или меньшей критической для данного сверхпроводящего материала. Это приводит к периодическому возникновению и исчезновению сверхпроводимости цилиндра и к периодическому выталкиванию измеряемого магнитного потока (эффект Мейснера) из объема цилиндра, а следовательно к изменению потокосцепления поля с измерительной катушкой. В результате в катушке возникает ЭДС, пропорциональная частоте тока нагревателя, числу витков измерительной катушки, сечению цилиндра и напряженности измеряемого магнитного поля (измеряется составляющая поля, совпадающая с направлением оси цилиндра). Эта ЭДС измеряется чаще всего цифровым вольтметром, градуированным в значениях индукции В или напряженности поля Н.

О характеристиках сверхпроводниковых тесламетров говорит тот факт, что с их помощью были измерены параметры магнитного поля биотоков сердца и мозга человека (  А/м).

 

         9.3 Измерение характеристик магнитных материалов

        

Нашедшие широкое применение в науке и технике магнитные материалы делят на три основные группы. Магнитомягкие - обычно используются в качестве магнитопроводов; магнитотвердые - используются в качестве источников магнитного поля; материалы со специальными свойствами (термомагнитные, магнитострикционные и др.).   Основные характеристики магнитных материалов и методы их измерения регламентируются соответствующими государственными стандартами.

Характеристики магнитных материалов, определяемые в постоянных или медленно меняющихся магнитных полях, называются статическими.

Характеристики, определяемые в переменных полях, называются динамическими.

К основным статическим характеристикам и параметрам материалов относят: начальную кривую намагничивания, основную кривую намагничивания, предельную симметричную петлю магнитного гистерезиса, площадь которой пропорциональна энергии, затраченной на перемагничивание вещества, и точки пересечения ее с осями координат - остаточную индукцию , коэрцитивную силу , индукцию насыщения ; относительную
магнитную проницаемость , ее начальное  и максимальное значения (рисунки 9.6 и 9.7).

                                 Рисунок 9.6

                            Рисунок 9.7

 

Начальной кривой намагничивания называется зависимость  магнитной индукции В от напряженности намагничивающего поля Н    (рисунок 9.6). В начальном состоянии материал должен быть размагничен (, ). При достаточно большой Н величина В достигает насыщения. Если достигнув какой-то величины Н, плавно изменять напряженность поля до - Н и обратно, то кривая  опишет замкнутую петлю, называемую симметричной петлей гистерезиса. Если верхняя точка гистерезисной петли лежит в области насыщения, то ее форма и размеры будут оставаться неизменными. Такая петля называется предельной петлей гистерезиса. На практике вместо начальной чаще пользуются основной кривой намагничивания, которая является геометрическим местом вершин петель гистерезиса (рис. 6.7). По основной кривой намагничивания в соответствии с соотношением

                                          ,                                           (9.8)

можно построить кривую зависимости относительной магнитной проницаемости  от напряженности поля Н (рисунок 9.6).

Динамические характеристики зависят не только от качеств самого материала, но и от условий при которых производится их определение (от формы и размеров образца, от параметров намагничивающего тока, режима намагничивания и. т.д.). Влияние вихревых токов, магнитной вязкости и других процессов деформирует гистерезисную петлю таким образом, что она становится ближе к эллипсу (особенно в области малых токов и высоких частот). Такая кривая называется динамической петлей. Геометрическое место вершин динамических петель называется динамической кривой намагничивания.

В число основных динамических характеристик входят различные виды магнитной проницаемости и магнитные потери в материале при его намагничивании.

Если динамическая петля имеет форму эллипса или близка к ней, вводят понятие комплексной магнитной проницаемости.

                         ,                       (9.9)

где  и  - комплексы эквивалентных синусоид магнитной индукции и напряженности;

                              ,                        (9.10)

- модуль комплексной проницаемости, называется амплитудной магнитной проницаемостью (  и  - амплитуды индукции и напряженности);

 - тангенс угла магнитных потерь.

Полные потери на динамическое перемагничивание характеризуются площадью динамической петли. Динамические характеристики магнитных материалов изменяются, если на материал, кроме переменного поля, действует еще и постоянное. Гистерезисная петля при этом становится несимметричной, и ее форма и размеры определяются соотношением напряженности постоянного и переменного полей и свойствами материала.