Principes de mesure des champs magnétiques, instruments de mesure des paramètres du champ magnétique

Les premières boussoles magnétiques indiquant les directions vers les pôles magnétiques de la Terre sont apparues au IIIe siècle av. J.-C. en Chine. Il s'agissait d'appareils sous la forme de louches rondes à manche court en minerai de fer magnétique.

La cuillère était placée avec sa partie convexe sur une surface lisse en cuivre ou en bois, sur laquelle étaient dessinées des divisions avec des images des signes du zodiaque, indiquant les points cardinaux. Pour activer la boussole, la cuillère a été légèrement pressée et elle a commencé à tourner. Finalement, lorsque la cuillère s'est arrêtée, son manche était pointé juste vers le pôle magnétique sud de la terre.

À partir du XIIe siècle, les boussoles sont activement utilisées par les voyageurs en Europe. Ils ont été installés à la fois sur les navires de transport terrestre et sur les navires de mer pour déterminer la déviation magnétique.

Dès la fin du XVIIIe siècle, les phénomènes magnétiques font l'objet d'études approfondies pour les savants de l'époque. Pendant en 1785 a proposé une méthode pour quantifier la force du champ magnétique terrestre. En 1832Gauss a montré la possibilité de déterminer la valeur absolue de l'intensité du champ magnétique grâce à des mesures plus précises.

Le lien entre les phénomènes magnétiques et les effets de force observés lors du mouvement des charges électriques a été établi pour la première fois en 1820 par Oersted. Maxwell écrira plus tard cette relation sous une forme rationnelle - sous forme d'équations mathématiques (1873):

A ce jour, la technique suivante est utilisée pour mesurer les paramètres du champ magnétique :

• teslamètres - appareils de mesure des valeurs de la force H ou de l'induction du champ magnétique B;

• webmètres - instruments de mesure de l'amplitude du flux magnétique Ф;

• gradiomètres — dispositifs de mesure des inhomogénéités du champ magnétique.

existent aussi :

• dispositifs de mesure du moment magnétique M ;

• instruments de mesure de la direction du vecteur B;

• instruments de mesure des constantes magnétiques de divers matériaux.

Vecteur d'induction magnétique B caractérise l'intensité de l'action latérale forte champ magnétique (au pôle ou au courant) et est donc sa principale caractéristique en un point donné de l'espace.

Ainsi, le champ magnétique à l'étude peut interagir fortement avec un aimant ou un élément de courant, et est également capable d'induire une FEM d'induction dans le circuit si le champ magnétique pénétrant dans le circuit change dans le temps ou si le circuit change de position par rapport à le champ magnétique.

Un élément porteur de courant de longueur dl dans un champ magnétique d'induction B sera soumis à une force F dont la valeur peut être trouvée à l'aide de la formule suivante :

Ainsi, l'induction B du champ magnétique étudié peut être trouvée par la force F, qui agit sur un conducteur de longueur l donnée, avec un courant continu de valeur I connue, placé dans ce champ magnétique.

En pratique, les mesures magnétiques sont commodément effectuées à l'aide d'une grandeur appelée moment magnétique. Le moment magnétique Pm caractérise le contour de la région S avec le courant I, et l'amplitude du moment magnétique est déterminée comme suit :

Si une bobine à N spires est utilisée, alors son moment magnétique sera égal à :

Le moment mécanique M de la force d'interaction magnétique peut être trouvé sur la base des valeurs du moment magnétique Pm et de l'induction du champ magnétique B comme suit :

Cependant, pour mesurer un champ magnétique, il n'est pas toujours commode d'utiliser ses manifestations de force mécanique. Heureusement, il existe un autre phénomène sur lequel vous pouvez compter. C'est le phénomène d'induction électromagnétique. La loi de l'induction électromagnétique sous forme mathématique s'écrit comme suit :

Ainsi, le champ magnétique se manifeste sous forme de forces ou de champs électromagnétiques induits. Dans ce cas, la source du champ magnétique lui-même, comme on le sait, est un courant électrique.

Si le courant générant le champ magnétique en un point donné de l'espace est connu, alors l'intensité du champ magnétique en ce point (à une distance r de l'élément de courant) peut être trouvée en utilisant la loi de Biot-Savart-Laplace:

Il convient de noter que l'induction magnétique B dans le vide est liée à l'intensité du champ magnétique H (généré par le courant correspondant) par la relation suivante :

La constante magnétique du vide dans le système SI est définie en ampères.Pour un milieu quelconque, cette constante est le rapport de l'induction magnétique dans un milieu donné à l'induction magnétique dans le vide, et cette constante est appelée perméabilité magnétique du milieu:

La perméabilité magnétique de l'air coïncide pratiquement avec la perméabilité magnétique du vide ; donc, pour l'air, l'induction magnétique B est pratiquement identique à la contrainte du champ magnétique H.

Une unité de mesure de l'induction magnétique dans le NE — Tesla [T], dans le système CGS — Gauss [G], et 1 T = 10000 G. Les appareils de mesure pour déterminer l'induction du champ magnétique sont appelés teslamètres.

L'intensité du champ magnétique H est mesurée en ampères par mètre (A/m), 1 ampère/mètre étant défini comme l'intensité du champ magnétique d'un solénoïde de longueur infinie de densité de spire unitaire lorsqu'un courant de solénoïde de 1 ampère le traverse. Un ampère par mètre peut être défini d'une autre manière : c'est l'intensité du champ magnétique au centre d'un circuit circulaire avec un courant de 1 ampère avec un diamètre de boucle de 1 mètre.

Ici, il convient de noter une valeur telle que le flux magnétique d'induction - F. Il s'agit d'une quantité scalaire, dans le système SI, elle est mesurée dans Webers et dans le système CGS - dans Maxwells, avec 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber est un flux magnétique d'une telle amplitude que lorsqu'il diminue jusqu'à zéro, une charge de 1 coulomb passe à travers un circuit conducteur auquel est connectée une résistance de 1 Ohm.

Si nous prenons le flux magnétique F comme valeur initiale, alors l'induction de champ magnétique B ne sera rien de plus que la densité de flux magnétique. Les appareils de mesure du flux magnétique sont appelés webmètres.

Nous avons noté plus haut que l'induction magnétique peut être déterminée soit par la force (ou par le moment mécanique) soit par la FEM induite dans le circuit. Ce sont les conversions de mesure dites directes, où le flux magnétique ou l'induction magnétique est exprimé par une autre grandeur physique (force, charge, moment, différence de potentiel) qui est uniquement liée à la grandeur magnétique au moyen d'une loi physique de base.

Les transformations où l'induction magnétique B ou le flux magnétique F passe par le courant I ou la longueur l ou le rayon r sont appelées transformations inverses. De telles transformations sont effectuées sur la base de la loi de Biot-Savart-Laplace, en utilisant la relation connue entre l'induction magnétique B et l'intensité du champ magnétique H.