Princípios de medição de campos magnéticos, instrumentos para medição de parâmetros de campo magnético

As primeiras bússolas magnéticas indicando direções para os pólos magnéticos da Terra apareceram no século III aC na China. Estes eram dispositivos na forma de conchas redondas de cabo curto feitas de minério de ferro magnético.

A colher era colocada com sua parte convexa sobre uma superfície lisa de cobre ou madeira, sobre a qual eram desenhadas divisões com imagens dos signos do zodíaco, indicando os pontos cardeais. Para ativar a bússola, a colher era levemente pressionada e ela começava a girar. Eventualmente, quando a colher parou, seu cabo estava apontado para a direita em direção ao polo magnético sul da Terra.

A partir do século XII, as bússolas foram usadas ativamente pelos viajantes na Europa. Eles foram instalados em navios de transporte terrestre e marítimo para determinar o desvio magnético.

A partir do final do século XVIII, os fenômenos magnéticos passaram a ser objeto de cuidadoso estudo dos cientistas da época. Pendant em 1785 propôs um método para quantificar a força do campo magnético da Terra. Em 1832Gauss mostrou a possibilidade de determinar o valor absoluto da intensidade do campo magnético por meio de medições mais precisas.

A conexão entre fenômenos magnéticos e efeitos de força observados durante o movimento de cargas elétricas foi estabelecida pela primeira vez em 1820 por Oersted. Mais tarde, Maxwell escreveria essa relação na forma racional— na forma de equações matemáticas (1873):

Até o momento, a seguinte técnica é usada para medir os parâmetros do campo magnético:

• teslâmetros - dispositivos para medir os valores da força H ou a indução do campo magnético B;

• webmeters — instrumentos para medir a magnitude do fluxo magnético Ф;

• gradiômetros — dispositivos para medir as não homogeneidades do campo magnético.

também existem:

• dispositivos para medir o momento magnético M;

• instrumentos para medir a direção do vetor B;

• instrumentos para medir constantes magnéticas de vários materiais.

vetor de indução magnética B caracteriza a intensidade da forte ação lateral campo magnético (ao pólo ou à corrente) e é, portanto, sua principal característica em um determinado ponto do espaço.

Assim, o campo magnético em estudo pode interagir fortemente com um ímã ou um elemento de corrente, e também é capaz de induzir uma indução EMF no circuito se o campo magnético que penetra no circuito mudar com o tempo ou se o circuito mudar de posição é relativo a o campo magnético.

Um elemento portador de corrente de comprimento dl em um campo magnético de indução B sofrerá a ação de uma força F, cujo valor pode ser encontrado usando a seguinte fórmula:

Portanto, a indução B do campo magnético estudado pode ser encontrada pela força F, que atua sobre um condutor de um determinado comprimento l, com uma corrente contínua de valor conhecido I, colocado neste campo magnético.

Na prática, as medições magnéticas são convenientemente realizadas usando uma quantidade chamada momento magnético. O momento magnético Pm caracteriza o contorno da região S com a corrente I, e a magnitude do momento magnético é determinada da seguinte forma:

Se uma bobina com N voltas for usada, seu momento magnético será igual a:

O momento mecânico M da força de interação magnética pode ser encontrado com base nos valores do momento magnético Pm e da indução do campo magnético B da seguinte forma:

No entanto, para medir um campo magnético, nem sempre é conveniente usar suas manifestações de força mecânica. Felizmente, existe outro fenômeno com o qual você pode contar. Este é o fenômeno da indução eletromagnética. A lei da indução eletromagnética na forma matemática é escrita da seguinte forma:

Assim, o campo magnético se manifesta como forças ou CEM induzidas. Nesse caso, a própria fonte do campo magnético, como se sabe, é uma corrente elétrica.

Se a corrente que gera o campo magnético em um determinado ponto do espaço for conhecida, então a intensidade do campo magnético nesse ponto (a uma distância r do elemento atual) pode ser encontrada usando a lei de Biot-Savart-Laplace:

Deve-se notar que a indução magnética B no vácuo está relacionada à intensidade do campo magnético H (gerado pela corrente correspondente) pela seguinte relação:

A constante magnética do vácuo no sistema SI é definida em ampères.Para um meio arbitrário, essa constante é a razão entre a indução magnética em um determinado meio e a indução magnética no vácuo, e essa constante é chamada permeabilidade magnética do meio:

A permeabilidade magnética do ar praticamente coincide com a permeabilidade magnética do vácuo; portanto, para o ar, a indução magnética B é praticamente idêntica à tensão do campo magnético H.

Uma unidade para medir a indução magnética em NE — Tesla [T], no sistema CGS — Gauss [G] e 1 T = 10000 G. Dispositivos de medição para determinar a indução do campo magnético são chamados de teslâmetros.

A intensidade do campo magnético H é medida em amperes por metro (A/m), 1 ampere/metro sendo definido como a intensidade do campo magnético de um solenóide de comprimento infinito de densidade de rotação unitária quando uma corrente de solenóide de 1 ampere flui através dele. Um ampere por metro pode ser definido de outra forma: é a força do campo magnético no centro de um circuito circular com uma corrente de 1 ampere com um diâmetro de loop de 1 metro.

Aqui vale a pena notar um valor como o fluxo magnético de indução - F. Esta é uma quantidade escalar, no sistema SI é medida em Webers e no sistema CGS - em Maxwells, com 1 μs = 0,00000001 Wb. 1 Weber é um fluxo magnético de tal magnitude que, quando diminui para zero, uma carga de 1 coulomb passa por um circuito condutor com uma resistência de 1 Ohm conectada a ele.

Se tomarmos o fluxo magnético F como valor inicial, então a indução do campo magnético B nada mais será do que a densidade do fluxo magnético. Os dispositivos para medir o fluxo magnético são chamados webmeters.

Observamos acima que a indução magnética pode ser determinada pela força (ou pelo momento mecânico) ou pelo EMF induzido no circuito. Estas são as chamadas conversões de medição direta, onde o fluxo magnético ou a indução magnética é expressa por outra quantidade física (força, carga, momento, diferença de potencial) que é exclusivamente relacionada à quantidade magnética por meio de uma lei física básica.

Transformações onde a indução magnética B ou o fluxo magnético F é através da corrente I ou do comprimento l ou do raio r são chamadas de transformações reversas. Tais transformações são realizadas com base na lei de Biot-Savart-Laplace, usando a conhecida relação entre a indução magnética B e a intensidade do campo magnético H.