Магнитометрические преобразователи, приборы, установки

Часть первая МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Глава первая ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

1-1. Магнитное поле, его электрокинетическая природа

Существование магнитного поля может быть обнаружено по силе заимо действия магнита или элемента тока с исследуемым полем, а также в результате возникновения э. д. с. электромагнитной индукции в контуре, когда магнитное поле изменяется во времени или когда контур движется в этом поле [1-1—1-4].

Силовое взаимодействие и электромагнитная индукция являются фундаментальными проявлениями магнитного поля и могут быть положены в основу определения физической величины, характери­зующей интенсивность или силу в каждой точке пространства. Такой величиной служит вектор магнитной индукции В.

В соответствии с законом Ампера сила, действующая на элемен­тарный проводник длиной dl, помещенный в поле с магнитной ин­дукцией В, равна dF = I [dl • В], где I — ток, протекающий по про­воднику. Следовательно, вектор В может быть определен по силе взаимодействия элемента тока Idl с исследуемым магнитным полем.

В системе СИ величина В измеряется в теслах (в системе СГС — в гауссах; 1 гс = 10^-4 тл).

Интеграл вектора магнитной индукции по некоторой поверхности

называется магнитным потоком Ф через эту поверхность: Ф = В ds.

Магнитный поток измеряется в веберах (в системе СГС — в мак­свеллах; 1 мкс — 10^-8 вб) и является величиной скалярной.

Для большей наглядности часто пользуются представлением о ли­ниях магнитной индукции. Эти линии изображают так, что касатель­ная к ним в каждой точке совпадает по направлению с вектором маг­нитной индукции в той же точке. Число линий, проходящих через некоторую поверхность, характеризует значение магнитного потока. Число линий, отнесенное к единице площади, очевидно, будет харак­теризовать значение магнитной индукции. Другими словами, вели­чину В можно рассматривать как плотность магнитного потока, т. е. В = Ф/s.

Если взамен элемента тока ldl использовать элемент материаль­ного контура, движущийся в поле В со скоростью v, то на каждый его свободный заряд q будет действовать сила F = q [v • В]. Та­кая же сила действует и на отдельную заряженную частицу, дви­жущуюся в магнитном поле со скоростью v.

Подобно напряженности электрического поля Е вектор магнит­ной индукции В определяет силу, испытываемую зарядом. Произ­ведение [v • B] можно рассматривать поэтому как одну из слагаю­щих электрического поля Е = [v • В]. Это поле называют полем дви­жения.

Интеграл по замкнутому контуру в поле движения определяет значение э.д.с. электромагнитной индукции е_дв = [v • B]dl, которая возникает даже в том случае, когда поле В не зависит от вре­мени и является однородным. Таким образом, магнитная индукция может быть определена не только по силе взаимодействия элемента тока с магнитным полем, но и по значению э. д. с. электромагнитной индукции.

Важный вывод, следующий из только что сформулированных ос­новных закономерностей, заключается в том, что магнитное поле проявляется в форме сил, действующих на движущиеся электриче­ские заряды, независимо от того, движутся ли они относительно проводника или вместе с ним.

Возникновение магнитного поля связано с движением электри­ческих зарядов. Это следует из гипотезы Ампера о молекулярных токах, объясняющей природу магнетизма, является обобщением опыт­ных данных, в частности открытия Эрстеда (отклонение магнитной стрелки током), и формулируется в законе Био—Савара. В соответ­ствии с этим законом элементарный вектор магнитной индукции в от­сутствие намагничиваемых сред равен:

,                                    (1-1)

где =4π10^-7 гн/м — магнитная постоянная, зависящая от выбран­ной системы единиц; r — расстояние от элемента тока Idl до точки, где наблюдается магнитная индукция; r⁰ — единичный вектор, на­правленный вдоль этого расстояния.

Значение магнитной индукции в рассматриваемой точке можно получить путем интегрирования по замкнутому контуру l выраже­ния (1-1):

Из изложенного следует, что магнитное поле как по форме своего проявления, так и по природе является полем электрокинетическим.

Когда хотят охарактеризовать магнитный эффект тока вне за­висимости от магнитной проницаемости среды , то пользуются величиной Н = В₀ /, называемой напряженностью магнитного поля. Напряженность поля является удобной расчетной величиной и измеряется в амперах на метр (в системе СГС — в эрстедах, э; lэ = 10³/4π а/м).

В отсутствие намагничиваемых сред, очевидно, нет какой-либо надобности в использовании двух векторов, так как связь между ними проста. Для описания структуры поля можно с равным правом использовать как вектор В₀, так и вектор Н.

В намагничиваемых средах направления линий индукции и на­пряженности поля могут не совпадать. Связь между векторами за­дается здесь в виде:

В=[]Н, где [] —тензор относительной магнитной проницаемости среды — безразмерная величина. Тен­зор [] учитывает анизотропные свойства среды, т.е. неодинаковость ее магнитных свойств в различных направлениях. В действительности связь между векторами В и Н оказывается еще более сложной. На­пример, в ферромагнитных средах наблюдается двузначность (ги­стерезис) и нелинейность зависимости В = f(Н), другими словами, компоненты тензора [] оказываются функциями компонент век­тора Н или В₀. Очевидно, что магнитный эффект тока в намагничи­ваемых средах должен характеризоваться уже не одним, а двумя векторами. Ими могут быть векторы В и Н либо векторы В и В₀.

В частном случае, когда магнитная среда изотропна [µ] = µ и В=µ µ₀Н = µ_аH или В = µB₀. Здесь, очевидно В || Н и В || В₀. Произведение µ₀µ = µ_a называют абсолютной магнитной проницае­мостью среды.