Измерение магнитных полей

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………………………… 3.
2. Измерение электрических зарядов…………………………………………. 5.
1. Крутильные весы…………………………………………………………………….. 5.
2. Электроскоп…………………………………………………………………………….. 5.
3. Электрометр……………………………………………………………………………. 6.
4. Кулонометр…………………………………………………………………………….. 6.
3. Измерение электрических полей…………………..……………………….. 8.
1. Классификация электроизмерительных приборов………………………… 8.
2. Основные особенности конструкций  и принципа действия

электроизмерительных  приборов………..……………………………………….11.

4. Измерение магнитных полей………………………………………………….. 13.
1. Классификация приборов для измерения характеристик

магнитного поля, их особенности и принцип действия…….…………..  13.

                       V.        Список литературы………………………………………………………………….. 16. 
 
 

1.Введение. 

 В старину  электрические явления в виде  молнии и грома вызывали у  людей жуткий страх. Позднее  мы научились использовать электричество  для своих нужд. А магнетизм,  некогда не более чем диковинное  явление, сегодня играет одну  из важнейших ролей в гигантских  генераторах, обеспечивающих нас  энергией. 

  Все  окружающие нас объекты содержат  миллионы электрических зарядов, состоящих из частиц, находящихся внутри атомов - основы всей материи. Центральная часть или ядро большинства атомов включает два вида частиц: нейтроны и протоны. Нейтроны не имеют электрического заряда, в то время как протоны несут в себе положительный заряд. Вокруг ядра вращаются еще одни частицы - электроны, имеющие отрицательный заряд. Как правило, каждый атом имеет одинаковое количество протонов и электронов, чьи равные по величине, но противоположные заряды уравновешивают друг друга.

  Если в пространство, окружающее электрический заряд, внести другой заряд, то   заряды будут взаимодействовать друг с другом, значит в пространстве окружающем электрические заряды, существует силовое поле. Поле - особая форма материи, в которой происходит взаимодействие между телами. Электростатическое поле - поле, созданное неподвижными электрическими зарядами. В проводнике под действием приложенного электрического поля свободные электрические заряды перемещаются: положительные – по полю, отрицательные против поля, т.е. в проводнике возникает электрический ток. Электрическим током называется любое направленное движение электрических зарядов. Если на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей от точек с большим потенциалом к меньшему, это приведёт к выравниванию потенциалов и следовательно к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо создавать и поддерживать разность потенциалов за счёт работы сил неэлектростатического происхождения, Физическая величина, определяемая работой, сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущеё силой. Опытным путём установлено, что подобно тому как в пространстве окружающем электрические заряды возникает электростатическое поле, так и в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты возникает силовое поле, называемое магнитным. Особенностью магнитного поля является то ,что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды, в отличие от электростатического поля. Связь магнитного поля с током привела к многочисленным попыткам возбудить ток с помощью магнитного поля, в результате чего было открыто явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного.   Т.е. Любое изменение  магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле. Порождающие друг друга, изменяющиеся  электрическое и магнитное поля образуют единое электромагнитное поле. Переменное электрическое поле называется вихревым, его силовые линии замкнуты, подобно линиям индукции магнитного поля. Это отличает его от электростатического поля, которое существует вокруг неподвижных заряженных тел. Возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электродвижущей силы, называемой эдс магнитной индукции. 

II.Измерение электрических зарядов.

1.Крутильные  весы.

Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был установлен французским физиком Ш. Кулоном (1785 г.). В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10^–9 Н.

Идея измерений  основывалась на блестящей догадке  Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с  точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между  ними поровну. Таким образом, был  указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. Д. раз.

Крутильные весы состоят из стеклянной палочки, подвешенной  на тонкой кварцевой нити. На одном  конце палочки закреплён маленький  металлический шарик а, а на другом – противовес . Еще один металлический  шарик  закреплён неподвижно на стержне, который в свою очередь крепится на крышке весов.

  При сообщении  шарикам одноимённых зарядов  они начинают отталкиваться друг  от друга. Чтобы их удержать  на фиксированном расстоянии, упругую  проволоку нужно закрутить на  некоторый угол. По углу закручивания  проволоки определяют силу взаимодействия  шариков.

   Крутильные  весы позволили изучить зависимость  силы взаимодействия заряженных  шариков от величины зарядов  и от расстояния между ними.  

Закон кулона:  

где F – сила, с которой заряд q₁ отталкивает заряд того же знака q₂, а r – расстояние между ними. Если знаки зарядов противоположны, то сила F отрицательна и заряды не отталкивают, а притягивают друг друга. Коэффициент пропорциональности K зависит от того, в каких единицах измеряются F, r, q₁ и q₂.

2.Электроскоп.

Электроскоп — прибор для индикации наличия электрического заряда.

Принцип действия электроскопа основан на законе Кулона, согласно которому на одноименно заряженные тела действуют силы взаимного отталкивания.

Один из вариантов  простейшего электроскопа состоит  из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги, листочки

оказываются одноименно заряженными и поэтому отклоняются  друг от друга. Для того, чтобы листочки фольги не колебались от движения воздуха, их обычно помещают в стеклянный сосуд. Из сосуда при этом может быть откачан  воздух для предотвращения быстрой  утечки заряда с фольги. Электроскоп  как физический прибор сыграл важную роль на ранних этапах изучения электричества. Принцип электроскопа используется для измерения заряда в некоторых  видах индивидуальных дозиметров.  

3.Электрометр. 

В обычных  лабораторных опытах для обнаружения  и измерения электрических зарядов  используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

4.Кулонометр.

Кулонометрический метод анализа основан на том, что количество электричества, прошедшего через границу электрод-раствор, однозначно связано с количеством  вступившего в электрохимическую  реакцию вещества. Связь между  количеством электричества, прошедшего через границу раздела электрод-раствор, и количеством вступившего в  электрохимическую реакцию вещества дается законом Фарадея: Q = nF. Здесь : Q = It - количество электричества (в кулонах, Кл), прошедшего через границу раздела электрод-раствор, определяемое как сила тока( в амперах, А), протекающего через исследуемый раствор, помноженная на время (в секундах, с), в течение которого пропускается ток; n - число грамм-эквивалентов вещества, вступившего в электрохимическую реакцию на электроде; F- число Фарадея = 96485 Кл.

Широко применяются  весовые (серебряный, медный) и объемные (ртутный, газовый) кулонометры. В серебряном кулонометре анод делают из платины или серебра. Диафрагмой служит пористый сосуд, препятствующий попаданию кислорода на катод. В кулонометр наливают слегка подкисленный раствор азотнокислого серебра. По увеличению веса катода определяют количество восстановившегося серебра и рассчитывают количество электричества, прошедшего через раствор. Серебряный кулонометр наиболее точный. Ошибка составляет не более 0,005 процента.

Рис. 3 Весовой  кулонометр.

1 – пористый  сосуд. 

2 – катод.

3 – анод.   

В ртутно-капиллярном кулонометре в результате прохождения электрического тока ртуть с анода переносится на катод и капля электролита смещается к аноду пропорционально интегралу тока от времени.

Двухэлектродный ртутно-капиллярный кулонометр: 1, 6 — выводы для присоединения кулонометра к электрической цепи; 2, — герметизирующие крышки; 3 — герметичный капилляр (стеклянная трубка); 4 — капля электролита; 5 — ртутные электроды. 
 

Кулонометры применяют, например, для определения наработки радиоэлектронной аппаратуры или её элементов. 

III. Измерение электрических полей.

     Наглядное представление о характере поля создаётся тогда, когда его напряжённость и потенциал известны во всём пространстве. Так как электроизмерительные приборы (электрометры, вольтметры) предназначены  для измерения потенциалов, и, кроме того, расчёт скалярной величины произвести легче, чем векторной, то экспериментально обычно изучается распределение в пространстве потенциала. Система эквипотенциальных поверхностей полностью описывает конфигурацию электростатического поля, так как линии напряжённости всегда ортогональны к ним.

     Обычно  электростатическое поле исследуется  путем перемещения в нем измерительных  зондов, что легко может быть выполнено  в жидких и газообразных диэлектрических  средах. Однако электростатические измерения  сопряжены с определенными трудностями, поскольку реальные диэлектрические  среды обладают электропроводностью, зависящей от внешних условий (температуры, влажности и т.д.) Выход может  быть найден в замене электростатического  поля неподвижных зарядов полем  постоянного электрического тока при  условии, что потенциалы электродов (источников поля) поддерживаются постоянными, а электропроводность среды значительно  меньше  электропроводности электродов. 

1.Классификация  электроизмерительных  приборов.

Классификация электроизмерительных приборов

Электроизмерительную  аппаратуру и приборы можно классифициро-вать по ряду признаков.

По  назначению: приборы для измерения напряжения - вольтметры, милливольтметры; для измерения силы тока - амперметры, миллиам-перметры, микроамперметры; для измерения электрической мощности - ваттметры; сопротивления - омметры и т. д.

По  принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, электродинамические, тепловые, индукционные, электронные, вибрационные, самопищущие, цифровые и т.д. Систему прибора можно определить по условным обозначениям, которые наносятся на лицевую сторону прибора.

Магнитоэлектрическая  система.

Электроизмерительные  приборы магнитоэлектрической системы  предназначены для измерения  силы тока и напряжения в цепях  постоянного тока. Применяя различные  преобразователи и выпрямители, магнитоэлектрические приборы можно  использовать также для электрических измерений в цепях переменного тока высокой частоты и для измерения неэлектрических величин (температуры, давлений, перемещений и т.д.) Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток.

Электромагнитная  система

Приборы электромагнитной системы предназначены для измерения  силы тока и напряжения в цепи переменного  и постоянного тока. Принцип действия приборов электромагнитной системы  основан на взаимодействии магнитного поля катушки, по которой протекает  измеряемый ток и подвижного железного  сердечника.

Электродинамическая система

Электродинамические измерительные приборы предназначены  для измерения тока, напряжения и  мощности в цепях постоянного  и переменного токов. Принцип  действия приборов электродинамической  системы основан на взаимодействии катушек, по которым протекает измеряемый ток.

Тепловая  система

Принцип действия приборов тепловой системы основан  на изменении длины проводника, по которому протекает ток вследствие его нагревания.

Индукционная  система 

Устройство  приборов индукционной системы основано на взаимодействии токов, индуцируемых в подвижной части прибора  с магнитными потоками неподвижных  электромагнитов.

Вибрационная  система

Устройство  приборов этой системы основано на резонансе при совпадении частот собственных колебаний подвижной  части прибора с частотой переменного  тока.

Электростатическая  система

Устройство  приборов электростатической системы  основано на взаимодействии двух или  нескольких электрически заряженных проводников. Под действием сил электрического поля подвижные проводники перемещаются относительно неподвижных проводников.

Термоэлектрическая  система

Эта система  характеризуется применением одной  или нескольких термопар, дающих под  влиянием тепла, выделяемого измеряемым током, постоянный ток в измерительный  прибор магнитоэлектрической системы. Приборы термоэлектрической системы, в основном, применяются для измерения  переменных токов высокой частоты.

Детекторная (выпрямительная) система

Устройство  приборов основано на том, что переменный ток выпрямляется с помощью выпрямителя, вмонтированного в прибор. Полученный пульсирующий постоянный ток измеряется с помощью чувствительного прибора  магнитоэлектрической системы.

Осциллографы

Исследование  быстропеременных процессов осуществляется с помощью осциллографов. Например, с помощью осциллографа можно  измерять силу тока и напряжение и  изменение их во времени, сдвиг фаз  между ними, сравнивать частоты и  амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф, при применении соответствующих  преобразователей, позволяет исследовать  неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления и т.д.

Цифровые  приборы

В настоящее  время получили широкое распространение  цифровые приборы. Под цифровыми  электроизмерительными приборами  понимают приборы непосредственной оценки, основанные на принципе кодирования  измеряемой величины, благодаря чему осуществляется ее дискретное представление. Эти приборы являются наиболее совершенным  видом электроизмерительных устройств. Процесс измерения в них полностью  автоматизирован, а дискретная система  отсчета исключает возможность  внесения ошибок в результат измерений.

Важнейшим достоинством цифровых приборов является наличие у них кодового выхода, что дает возможность регистрировать результат измерений с помощью  цифропечатающих устройств и  использовать эти результаты для  ввода в ЭВМ для последующей  обработки.

Разновидностью  цифровых приборов являются аналого-цифровые преобразователи, в которых входной аналоговый сигнал в результате квантования и цифрового кодирования автоматически преобразуется в дискретную форму и выдается на выходе в виде кода. Аналого-цифровые преобразователи отличаются от цифровых приборов повышенным быстродействием и отсутствием отсчетного устройства.

Цифро-аналоговые преобразователи совершают обратное преобразование, при котором входной дискретный сигнал в результате декодирования автоматически преобразуется в аналоговую форму и выдается на выходе прибора в виде непрерывного сигнала.

Кроме того, к цифровым приборам относятся:: вольтметры постоянного и переменного тока; омметры постоянного тока и мосты  переменного тока; частотомеры и  счетчики импульсов; комбинированные  приборы, предназначенные для измерений  нескольких параметров; специализированные приборы, предназначенные для измерения  мощности, фазы, магнитного потока, магнитной  индукции, а также некоторых неэлектрических  параметров (расстояние, масса, скорость).  
 
 

2.Основные особенности конструкций и принципа

действия некоторых электроизмерительных приборов. 

Магнитоэлектрическая  система

Приборы этой системы предназначены для измерения  силы тока и напряжения в цепях  постоянного тока. Схема отклоняющего механизма показана на рисунке.                                                                                                

Измерительный механизм прибора магнитоэлектрической системы состоит из двух частей. Неподвижная часть состоит из постоянного магнита 1, его полюсных наконечников 2 и неподвижного сердечника 3. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником существует сильное магнитное поле. Подвижная часть измерительного механизма состоит из легкой рамки 4, обмотка которой навивается на алюминиевый каркас, и двух полуосей 5, неподвижно связанных с каркасом рамки. Концы обмотки припаяны к двум спиральным пружинам 6, через которые в рамку подводится измеряемый ток. К рамке прикреплены стрелка 7 и противовесы 8. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником устанавливается рамка. Ее полуоси вставляются в стеклянные или агатовые подшипники.

При прохождении  тока по обмотке рамки последняя  стремится повернуться, но ее свободному повороту противодействуют спиральные пружины. И тому углу, на который  рамка все же развернется, оказывается, соответствует определенная сила тока, который протекает по обмотке  рамки. Иными словами, угол поворота рамки пропорционален силе тока. Фиксируют  угол поворота рамки по стрелке, которая  к рамке жестко прикреплена. Так  как угол поворота стрелки пропорционален силе тока, то шкала измерительного прибора магнитоэлектрической системы  равномерная.

У амперметров  и вольтметров измерительные  механизмы в принципе одинаковы. Их отличие заключается лишь в  электрическом сопротивлении рамок. У амперметра сопротивление рамки  значительно меньше, чем у вольтметра.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются высокая чувствительность, высокая точность – до 0,1%, малое потребление мощности, низкая чувствительность к внешним магнитным полям, равномерность шкалы.

Недостатки  проявляются в сложности изготовления и ремонта, недопустимость перегрузок по току (отламываются стрелки, перегорают токоподводящие пружинки, растяжки, обмотка рамки). 

Электромагнитная  система

Неподвижная часть прибора электромагнитной системы представляет собой катушку 1, по обмотке которой протекает  ток. За счет этого в зазоре катушки  возникает магнитное поле.   В зазор втягивается якорь 2, изготовленный из мягкой стали, который составляет подвижную часть прибора. На оси якоря имеется спиральная пружина 3, противодействующая втягиванию якоря в зазор катушки. В результате сидящая на оси стрелка 4 поворачивается на определенный угол, зависящий от силы тока.

Электромагнитные  приборы менее чувствительны по сравнению с магнитоэлектрическими. Однако они не столь боятся перегрузки и надежнее в работе.

Кроме того, они пригодны для измерений в  цепях не только постоянного, но и  переменного тока. Их шкалы неравномерны.

Электродинамическая система.

У электродинамических  измерительных приборов подвижная  часть практически не отличается от подвижной части прибора магнитоэлектрической системы, т. е. у них тоже имеется  подвижная рамка. Неподвижной же частью служит не постоянный магнит, а катушка, по обмотке которой протекает ток.

Сила взаимодействия между рамкой и катушкой пропорциональна  произведению силы тока в рамке и  силы тока в катушке.

В амперметрах  и вольтметрах электродинамической  системы обе обмотки соединяются  последовательно, поэтому сила, поворачивающая подвижную рамку, пропорциональна  квадрату силы тока. В результате у  приборов данного типа шкала неравномерная.

Электродинамический прибор может служить и ваттметром, т. е. измерителем мощности. С этой целью токовая катушка включается последовательно нагрузке, и сила тока в ней равна силе тока в  цепи. Подвижная рамка через дополнительное сопротивление присоединяется параллельно  нагрузке. Следовательно, сила тока в  подвижной рамке пропорциональна  напряжению.

Так как  сила тока взаимодействия пропорциональна  произведению силы тока в рамке и  силы тока в катушке, то при таком  включении в цепь она оказывается  пропорциональной произведению силы тока на напряжение, т. е. мощности. Прибор в  данном случае служит ваттметром.

Для повышения  чувствительности прибора в неподвижную  обмотку можно ввести стальной сердечник. Прибор данного типа называется ферродинамическим. 
 

IV. Измерение магнитных полей. 

В случае простейших конфигураций (прямой ток, тороид, бесконечной  длины  соленоид) значение напряженности  магнитного поля легко находится  с помощью теоремы о циркуляции Н, в более сложных случаях (соленоид конечной длины и др.) расчет Н затруднителен. Поэтому в ряде случаев удобнее экспериментально определить В, а затем рассчитать Н. Величину магнитной индукции В можно измерить различными способами или непосредственно приборами магнитометрами. 
 
 

1.Классификация  приборов для измерения характеристик магнитного поля. 

В зависимости  от определяемой величины различают  приборы для измерения: напряжённости  поля (эрстедметры), направления поля (Инклинаторы и Деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или Флюксметры), коэрцитивной силы (Коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента.