Измерение магнитных полей

 В более  узком смысле магнитометры — приборы для измерения напряжённости, направления и градиента магнитного поля. В современных магнитометрах для отсчёта значений измеряемой величины применяются следующие методы: визуальный отсчёт по шкале, запись в цифровой или аналоговой форме, фотозапись, запись на магнитных лентах, перфолентах и перфокартах. Шкалы магнитометров градуируются в единицах напряжённости магнитного поля СГС системы единиц (эрстед, мэ, мкэ, гамма = 10⁵ э) и в единицах магнитной индукции СИ (тесла, мктл, нтл).        

 Различают  магнитометры  для измерений абсолютных значений характеристик поля и относительных изменений поля в пространстве или во времени. Последние называются вариометрами магнитными. Магнитометры классифицируют также по условиям эксплуатации (стационарные, на подвижных платформах и т.д.), и, наконец, в соответствии с физическими явлениями, положенными в основу их действия .  

 Магнитостатические

 магнитометры основаны на измерении механического момента J, действующего на индикаторный магнит прибора в измеряемом поле Н_изм; J = [М, Н_изм], где М — магнитный момент индикаторного магнита. Момент J в магнитометрах различной конструкции сравнивается: а) с моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые магнитометры и универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке;   б) с моментом силы тяжести; в) с моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определённом положении (оси индикаторного и вспомогательного магнитов в положении равновесия перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогательного магнита в поле Н_изм, можно измерить абсолютную величину Н_изм (абсолютный метод Гаусса). Основное назначение магнитостатических магнитометров — измерение компонент и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля , градиента поля, а также магнитных свойств веществ. 

Схема кварцевого магнитометра для измерения вертикальной составляющей (Z) напряжённости геомагнитного поля:

1 — оптическая  система зрительной трубы; 

2 — оборотная  призма для совмещения шкалы  9 с полем зрения;

3 — магниточувствительная  система (постоянный магнит на  кварцевой растяжке 5);

4 — зеркало; 

6 — магнит для  частичной компенсации геомагнитного  поля (изменения диапазона прибора);

7 — кварцевая  рамка; 

8 — измерительный  магнит.

Магниточувствительную систему приводят в горизонтальное положение, воздействуя измерительным  магнитом. По углу поворота магнита 8 судят  о величине Z—компоненты.

10 — оптическая  система для освещения шкалы. 

Электрические

 магнитометры основаны на сравнении Н_изм с полем эталонного соленоида Н = kl, где k — постоянная соленоида, определяемая из геометрических и конструктивных его параметров, I — измеряемый ток. Электромагнитные магнитометры состоят из компаратора для измерения размеров соленоида и обмотки, теодолита для точной ориентации оси соленоида по направлению измеряемой компоненты поля, потенциометрической системы для измерения тока I и чувствительного датчика — индикатора равенства полей. Основная область применения — измерение горизонтальной и вертикальной составляющих геомагнитного поля. 

Индукционные

магнитометры основаны на явлении электромагнитной индукции — возникновении эдс в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь её контур магнитного потока Ф. Изменение потока ΔФ в катушке может быть связано: а) с изменением величины или направления измеряемого поля во времени (примеры — индукционные вариометры, флюксметры). Простейший флюксметр (веберметр) представляет собой баллистический гальванометр, действующий в сильно переуспокоенном режиме  широко применяются магнитоэлектрические веберметры, фотоэлектрические веберметры и другие; 

б) с периодическим  изменением положения (вращением, колебанием) измерительной катушки в измеряемом поле;  в) с изменением магнитного сопротивления измерительной катушки, что достигается периодическим изменением магнитной проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается до насыщения вспомогательным переменным полем возбуждения); действующие по этому принципу магнитометры называются- феррозондовые. Индукционные магнитометры применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т.д.

Блок-схема и конструкция  преобразователя вибрационного  тесламетра: 1 — измерительная катушка, укрепленная на торце пьезокристалла 2 (вибратора);

3 — зажим для  крепления пьезокристалла;

4 — усилитель  сигнала; сигнал детектируется  и измеряется прибором магнитоэлектрической  системы 5;

6 — генератор  электромагнитных колебаний; 

7 — источник питания.   
 
 
 
 

Гальваномагнитные

магнитометры основаны на явлении искривления траектории электрических зарядов, движущихся в магнитном поле Н_изм, под действием силы Лоренца. К этой группе  относятся:  магнитометры на эффекте Холла (возникновении между гранями проводящей пластинки разности потенциалов, пропорциональной протекающему току и Н_изм); магнитометры на эффекте Гаусса (изменении сопротивления проводника в поперечном магнитном поле Н_изм); на явлении падения анодного тока в вакуумных магнетронах и электроннолучевых трубках (вызванного отклонением электронов в магнитном поле) и другие. На эффекте Холла основано действие различного рода тесламетров для измерения постоянных, переменных и импульсных магнитных полей; градиентометров и приборов для исследования магнитных свойств материалов.  

Принципиальная схема  тесламетра, основанного на эффекте  Холла (компенсационного типа):

E₁ и Е₂ — источники постоянного тока;

r₁ и r₂ — резисторы;

G — гальванометр,

mА — миллиамперметр;

ПХ — преобразователь  Холла (полупроводниковая пластинка).

Эдс Холла компенсируется падением напряжения на части калиброванного сопротивления r₂, через которое протекает постоянный ток. 

Существуют  так же: Квантовые магнитометры —  приборы, основанные на ядерном магнитном  резонансе и сверхпроводящие квантовые  основаны на квантовых эффектах в сверхпроводниках: выталкивании магнитного поля из сверхпроводника 
 
 
 
 
 
 

Список литературы: 
 
 

1. Т.И. Трофимова.  «Курс физики».

2. А.А. Щука  «Функциональная электроника».

3. А. М. Прохоров. «Большая советская энциклопедия».

4. Е. Н.  Чечурина «Приборы для измерения магнитных величин».

5. Б. М. Яновский « Земной магнетизм».