Prinzipien der Messung von Magnetfeldern, Instrumente zur Messung von Magnetfeldparametern

Die ersten Magnetkompasse, die die Richtung der Magnetpole der Erde anzeigten, erschienen im dritten Jahrhundert v. Chr. in China. Dabei handelte es sich um Geräte in Form von kurzstieligen Rundkellen aus magnetischem Eisenerz.

Der Löffel wurde mit seinem konvexen Teil auf eine glatte Kupfer- oder Holzoberfläche gelegt, auf der Einteilungen mit Bildern der Tierkreiszeichen gezeichnet waren, die die Himmelsrichtungen anzeigten. Um den Kompass zu aktivieren, wurde der Löffel leicht gedrückt und er begann sich zu drehen. Als der Löffel schließlich anhielt, war sein Griff genau richtig ausgerichtet in Richtung des magnetischen Südpols der Erde.

Ab dem 12. Jahrhundert wurden Kompasse von Reisenden in Europa aktiv genutzt. Sie wurden sowohl auf Landtransport- als auch auf Seeschiffen installiert, um die magnetische Abweichung zu bestimmen.

Ab dem Ende des 18. Jahrhunderts wurden magnetische Phänomene für die damaligen Wissenschaftler zum Gegenstand sorgfältiger Untersuchungen. Pendant schlug 1785 eine Methode zur Quantifizierung der Stärke des Erdmagnetfeldes vor. Im Jahr 1832Gauß zeigte die Möglichkeit auf, durch genauere Messungen den Absolutwert der magnetischen Feldstärke zu bestimmen.

Der Zusammenhang zwischen magnetischen Phänomenen und Krafteffekten, die bei der Bewegung elektrischer Ladungen beobachtet werden, wurde erstmals 1820 von Oersted festgestellt. Maxwell schrieb diese Beziehung später in rationaler Form: in Form mathematischer Gleichungen (1873):

Zur Messung der Parameter des Magnetfeldes wird bisher folgende Technik verwendet:

• Teslameter – Geräte zur Messung der Werte der Kraft H oder der Induktion des Magnetfelds B;

• Webmeter – Instrumente zur Messung der Größe des magnetischen Flusses Ф;

• Gradiometer – Geräte zur Messung von Magnetfeldinhomogenitäten.

gibt es auch:

• Geräte zur Messung des magnetischen Moments M;

• Instrumente zur Messung der Richtung des Vektors B;

• Instrumente zur Messung magnetischer Konstanten verschiedener Materialien.

Magnetischer Induktionsvektor B charakterisiert die Intensität der starken Nebenwirkung Magnetfeld (zum Pol oder zum Strom) und ist daher seine Haupteigenschaft an einem bestimmten Punkt im Raum.

Somit kann das untersuchte Magnetfeld entweder stark mit einem Magneten oder einem Stromelement interagieren und ist auch in der Lage, eine Induktions-EMK im Stromkreis zu induzieren, wenn sich das den Stromkreis durchdringende Magnetfeld im Laufe der Zeit ändert oder wenn sich die Position des Stromkreises relativ zu ändert das Magnetfeld.

Auf ein stromführendes Element der Länge dl in einem Magnetfeld der Induktion B wirkt eine Kraft F, deren Wert mit der folgenden Formel ermittelt werden kann:

Daher kann die Induktion B des untersuchten Magnetfelds durch die Kraft F ermittelt werden, die auf einen Leiter einer bestimmten Länge l wirkt, wobei ein Gleichstrom mit einem bekannten Wert I in dieses Magnetfeld geleitet wird.

In der Praxis werden magnetische Messungen üblicherweise mit einer Größe durchgeführt, die als magnetisches Moment bezeichnet wird. Das magnetische Moment Pm charakterisiert die Kontur des Bereichs S mit dem Strom I und die Größe des magnetischen Moments wird wie folgt bestimmt:

Wenn eine Spule mit N Windungen verwendet wird, ist ihr magnetisches Moment gleich:

Das mechanische Moment M der magnetischen Wechselwirkungskraft kann anhand der Werte des magnetischen Moments Pm und der Magnetfeldinduktion B wie folgt ermittelt werden:

Um ein Magnetfeld zu messen, ist es jedoch nicht immer praktisch, seine Manifestationen mechanischer Kraft zu nutzen. Glücklicherweise gibt es ein weiteres Phänomen, auf das Sie zählen können. Dies ist das Phänomen der elektromagnetischen Induktion. Das Gesetz der elektromagnetischen Induktion in mathematischer Form lautet wie folgt:

Somit manifestiert sich das Magnetfeld als Kräfte oder induzierte EMF. In diesem Fall ist die Quelle des Magnetfelds selbst bekanntlich ein elektrischer Strom.

Wenn der Strom bekannt ist, der das Magnetfeld an einem bestimmten Punkt im Raum erzeugt, kann die Magnetfeldstärke an diesem Punkt (im Abstand r vom aktuellen Element) ermittelt werden unter Verwendung des Biot-Savart-Laplace-Gesetzes:

Es ist zu beachten, dass die magnetische Induktion B im Vakuum durch die folgende Beziehung mit der magnetischen Feldstärke H (erzeugt durch den entsprechenden Strom) zusammenhängt:

Die magnetische Vakuumkonstante im SI-System wird in Ampere definiert.Für ein beliebiges Medium ist diese Konstante das Verhältnis der magnetischen Induktion in einem bestimmten Medium zur magnetischen Induktion im Vakuum und wird als Konstante bezeichnet magnetische Permeabilität des Mediums:

Die magnetische Permeabilität von Luft stimmt praktisch mit der magnetischen Permeabilität von Vakuum überein; Daher ist für Luft die magnetische Induktion B praktisch identisch mit der Magnetfeldspannung H.

Eine Einheit zur Messung der magnetischen Induktion im Nordosten — Tesla [T], im CGS-System — Gauss [G], und 1 T = 10000 G. Messgeräte zur Bestimmung der Magnetfeldinduktion werden Teslameter genannt.

Die magnetische Feldstärke H wird in Ampere pro Meter (A/m) gemessen, wobei 1 Ampere/Meter als die magnetische Feldstärke eines Elektromagneten mit unendlicher Länge und einer Windungsdichte von Einheit definiert ist, wenn ein Elektromagnetstrom von 1 Ampere durch ihn fließt. Ein Ampere pro Meter kann auch anders definiert werden: Es ist die Stärke des Magnetfelds im Zentrum eines kreisförmigen Stromkreises mit einem Strom von 1 Ampere und einem Schleifendurchmesser von 1 Meter.

Hier ist ein Wert wie der magnetische Induktionsfluss – F – zu erwähnen. Dies ist eine skalare Größe, die im SI-System in Webers und im CGS-System in Maxwells gemessen wird, mit 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber ist ein magnetischer Fluss von einer solchen Größe, dass, wenn er auf Null abfällt, eine 1-Coulomb-Ladung durch einen leitenden Stromkreis mit einem daran angeschlossenen Widerstand von 1 Ohm fließt.

Wenn wir den magnetischen Fluss F als Anfangswert nehmen, dann ist die magnetische Feldinduktion B nichts anderes als die magnetische Flussdichte. Geräte zur Messung des magnetischen Flusses werden Webmeter genannt.

Wir haben oben festgestellt, dass die magnetische Induktion entweder durch die Kraft (oder durch das mechanische Moment) oder durch die im Stromkreis induzierte EMF bestimmt werden kann. Dabei handelt es sich um sogenannte direkte Messumrechnungen, bei denen der magnetische Fluss oder die magnetische Induktion durch eine andere physikalische Größe (Kraft, Ladung, Moment, Potentialdifferenz) ausgedrückt wird, die über ein physikalisches Grundgesetz in eindeutiger Beziehung zur magnetischen Größe steht.

Transformationen, bei denen die magnetische Induktion B oder der magnetische Fluss F durch den Strom I oder die Länge l oder den Radius r erfolgt, werden Umkehrtransformationen genannt. Solche Transformationen werden auf der Grundlage des Biot-Savart-Laplace-Gesetzes durchgeführt, wobei der bekannte Zusammenhang zwischen der magnetischen Induktion B und der Stärke des Magnetfelds H genutzt wird.