Глава третья измерение магнитных величин

Целью и содержанием магнитных измерений является исследование характеристик магнитных полей, материалов и образцов.

Магнитные измерения находят практическое применение при исследовании свойств материалов, испытаниях магнитных деталей и элементов, в магнитной дефектоскопии, при изучении магнитных полей Земли, при измерении и контроле магнитных полей в установках атомной и ядерной физики и т.п.

Основными величинами, характеризующими магнитное поле, являются магнитный поток, магнитная индукция и напряженность магнитного поля. Магнитные материалы оценивают по их характеристикам и параметрам—статическим и динамическим.

3.1. Измерение магнитного потока, магнитной индукции и напряженности постоянного магнитного поля

Измеряемые магнитные величины обычно предварительно преобразуются в электрические, более удобные для измерения. Преобразователи магнитных величин в электрические строятся на основе явлений электромагнитной индукции, ядерного магнитного резонанса, гальваномагнитного и некоторых других.

3.1.1. Использование измерительной катушки

Если измеряемый магнитный поток F сцеплен с катушкой, то в последней возникает ЭДС, определяемая формулой

(3.1)

где w_k—число витков катушки.

Таким образом, катушка выполняет роль преобразователя магнитной величины в электрическую. Выбор формы, конструкции и размеров такого индукционного преобразователя, называемого измерительной катушкой, зависит от параметров магнитного поля и условий его измерения. В любом случае требуется, чтобы витки измерительной катушки были сцеплены лишь с измеряемым магнитным потоком.

Выражение (3.1) можно преобразовать к виду

и проинтегрировать:

или

(3.2)

Из (3.2) следует, что изменение потока за время t=t₂—t₁можно определить, проинтегрировав ЭДС в указанном временном интервале. Интегрирование можно осуществить различными способами. В магнитных измерениях для этих целей обычно используют баллистический гальванометр или веберметр.

Для измерения постоянного магнитного потока при помощи баллистического гальванометра собирается цепь, представленная на рис. 3.1. Измерительная катушка с числом витков w_ксопротивлениемR_кподключается к баллистическому гальванометру, рамка которого имеет сопротивлениеR_r. Измерение производится следующим образом. Измерительная катушка сначала помещается в измеряемый магнитный поток так, чтобы плоскость ее витков была перпендикулярна магнитному полю. Затем катушка быстро выносится из области магнитного поля. Возникающий при этом в соответствии с (3.1) импульс ЭДС уравновешивается падением напряжения в цепи:

(3.3)

где i—мгновенное значение тока;R=R_k+R_r—активное сопротивление цепи;L—ее индуктивность.

С учетом (3.3) выражение (3.2) можно переписать в виде

где Q—количество электричества.

Интегрирование с учетом начальных и конечных условий

(3.4)

Поскольку первый отброс _б указателя баллистического гальванометра (см. §2.2) связан с количеством электричества в импульсе тока соотношением

то

(3.5)

где С постоянная гальванометра по магнитному потоку (цена деления), которая определяется экспериментально.

Схема для определения С представлена на рис. 3.2. При переключении переключателяSAиз положения1 в положение2направление тока в обмоткеw₁, катушки взаимной индуктивности изменится на противоположное, т.е.I=2I₁, и во вторичной обмотке произойдет изменение потока, равное

где М—коэффициент взаимной индукции катушки.

Такое изменение потока приводит к отклонению стрелки баллистического гальванометра_б . Следовательно, цена измерителя магнитного потока

(3.6)

Относительная погрешность измерения магнитного потока при помощи баллистического гальванометра обычно составляет десятые доли процента.

При измерении постоянного магнитного потока магнитоэлектрическим веберметром в качестве первичного преобразователя также используется измерительная катушка. Веберметр представляет собой магнитоэлектрический механизм, не имеющий противодействующего момента и работающий в апериодическом режиме. Схема его включения аналогична схеме включения баллистического гальванометра, показанной на рис, 3.1. Веберметр работает следующим образом. Вначале измерительная катушка помещается в измеряемый постоянный магнитный поток так, чтобы плоскость ее витков была перпендикулярна магнитному полю. Затем катушка быстро убирается из области магнитного потока. При изменении магнитного потока, сцепленного с измерительной катушкой,=w_k , возникает ЭДС, вызывающая ток в замкнутой цепи. Под влиянием тока рамка веберметра повернется на некоторый угол_в, причем изменение потока, сцепленного с рамкой веберметра,_в=w_вB_вs_{в в}, оказывается примерно равным -Ф. (В замкнутой электрической цепи суммарное потокосцепление стремится сохранить свое значение.) Таким образом,

(3.7)

или

(3.8)

где w_виs_в—число витков и площадь рамки веберметра соответственно;B_в—магнитная индукция, создаваемая магнитом веберметра;С —цена деления веберметра.

Поскольку постоянная веберметра не зависит от сопротивления цепи, он имеет шкалу, отградуированную в единицах магнитного потока—веберах.

Из-за отсутствия противодействующего момента указатель веберметра может занимать произвольное положение. Для установления его на нулевую отметку шкалы применяют электромеханический корректор, представляющий собой вспомогательный магнитоэлектрический механизм, рамку которого можно вращать специальной ручкой. Электромеханический корректор подключается к выводам веберметра. Поворот рамки корректора приводит к возникновению ЭДС, которая вызывает в рамке веберметра импульс тока, отчего рамка приводится в движение. Это позволяет установить указатель на нулевую отметку шкалы.

Веберметр удобно использовать при измерениях магнитного потока, но его чувствительность и точность уступают измерителям на основе баллистического гальванометра. Классы точности веберметров 1,5-2,5.

Баллистические гальванометры и веберметры можно использовать также для определения магнитной индукции и напряженности постоянного магнитного поля исходя из соотношений между этими величинами и магнитным потоком:

(3.9)

(3.10)

где S_k—площадь витка измерительной катушки;₀—магнитная постоянная( ₀=4 10^-7Гн/м).