Измерение магнитных полей. Виды и применение. Особенности

Значимые характеристики магнитного поля – это не только скалярные или векторные, но и тензорные величины, полностью характеризующие полевую структуру и не привязанные к определенной системе координат. К основным параметрам, определяемым различными методами измерений, относят векторы магнитной индукции и напряженности поля, а также силу потока и градиенты этих величин. Измерение магнитных полей – сложная техническая процедура, нуждающаяся в самом современном инструментарии.

Направления науки и техники, в которых востребовано измерение магнитных полей

Оценка параметров полевых образований – основа изучения структуры материалов, обладающих ярко выраженными магнитными свойствами. На этих данных базируются многие другие методы изучения вещества и решаются важнейшие народнохозяйственные задачи.

В качестве примеров подобного подхода к работе с материалами могут рассматриваться:

Измерение магнитных полей в ходе исследования строения вещества, а также поведения отдельных микрочастиц.
Обоснование положений теории магнетизма и физики твердых тел.
Изучение проблем, связанных с проявлениями магнитных эффектов в ближнем и дальнем космосе.
Создание современных источников энергии, ускорителей, криогенных генераторов и транспортных средств на магнитной подушке.
Поиск залежей полезных ископаемых.
Создание новых материалов, обладающих ферромагнитными свойствами.
Измерение магнитных полей востребовано в ходе диагностических обследований, регулярно проводимых в лечебной медицине и т.п.

Измеряемые величины и требования к точности снятия показаний

Современная измерительная практика – составная часть уникальных научных исследований, нуждающихся в высокой точности снимаемых показаний. Контролируемые и оцениваемые параметры характеризуются следующим диапазоном значений:

Постоянные величины индукции – в пределах от 10-16 Тл (магнитный вакуум) и до 30 Тл.
Переменные значения того же показателя, измеряемые в диапазоне от 10-15 Тл до единиц Тесла (при частотах от долей герца до десятков МГц).
Импульсные переменные с величиной индукции от 10-15 до сотен Тесла.
Магнитные потоки, как правило, измеряются в величинах от тысячных долей до нескольких десятков Веберов.

В ряде случаев измерение магнитных полей производится при сложных окружающих условиях. По требованиям эксперимента это могут быть как сверхнизкие, так и сверхвысокие температуры, а также открытое космическое пространство или сильно разряженная среда.

К точности измеряемых величин также предъявляются довольно жесткие требования. Так, допустимая погрешность при измерении индукции магнитного поля составляет порядка 10 в минус восьмой степени (максимум – 10 в минус 6-ой степени). При исследовании магнитных ускорителей и систем, в состав которых входят постоянные магниты, требования к погрешности не такие жесткие (10 в минус 3-й степени).

Допустимые отклонения при измерении магнитных потоков в полевых образованиях оцениваются величинами в пределах от 10 в минус 5-ой до 10 в минус первой степени. Особо жесткие требования по точности снятия показаний предъявляются при исследованиях в области навигации, а также при поиске месторождений полезных ископаемых.

Существующие методы измерений

Izmerenie magnitnykh polei 2

Измерение магнитных полей с высокой точностью возможно только в тех случаях, когда оцениваемое вещество обладает двумя важными характеристиками. Первое – это его способность взаимодействовать с направленными потоками заряженных частиц, а второе – наличие у вещества собственных электромагнитных свойств.

Магниторезонансные методы

Квантовые способы измерения базируются на использовании эффекта, называемого «магнитным резонансом». Его суть заключается в способности атомных частиц поглощать и излучать энергию магнитных переходов между электронными подуровнями вещества. Так, взаимодействие собственных спинов электронов и магнитного поля ядер нередко приводит к расщеплению энергетических уровней в атоме. Переходы между атомными уровнями часто используются при разработке квантовых генераторов, лазеров и другой современной аппаратуры.

Магнитный резонанс возможен и на молекулярном уровне, когда отдельные частички вещества (ионы), имеющие собственный спин, перемещаются в постоянном магнитном поле. Применение термина «резонанс» к данной ситуации означает, что при измерениях исследователь подстраивает электронную аппаратуру на частоты, излучаемые квантовой системой.

В зависимости от разновидности резонирующих частиц различают следующие подвиды измерительных методов:

Ядерный резонанс.
Его электронный аналог.
Ферромагнитный.
Парамагнитный.
Антиферромагнитный метод и т. д.

Ядерный резонанс основывается на эффектах, наблюдаемых с диполями протонов (все остальные методы резонансных измерений возможны благодаря энергетическим переходам на электронных уровнях). Эта разновидность измерений с аббревиатурой «ЯМР», относится к самым точным методикам, применяемым при проведении специальных исследований.

Устройство преобразователей ЯМР

Измерительная система в этом случае состоит из контрольной катушки и рабочего вещества с ярко выраженными магнитными свойствами. Оно помещается во внутреннюю часть кольцеобразной обмотки (в некоторых случаях при проведении измерений делается наоборот – катушка размещается в теле вещества). Во втором случае коэффициент заполнения измерителя увеличивается пропорционально объему обследуемого тела.

Перед началом работ преобразователь ЯМР помещается в экранированный корпус, что исключает возможность внешних помех и повышает точность проводимых измерений. В качестве реагента в контрольных устройствах традиционно используется жидкое диамагнитное вещество, атомные ядра которого имеют отличный от нуля спин.

Электрофизические методы измерения

Измерение магнитных полей этими методами, как правило, используются при необходимости измерения линейных и угловых размеров контролируемого объекта. Они основаны на заметном различии характеристик двух сред, которые определяют границы обследуемого вещества. При наличии разницы, например, по плотности, измерительный прибор фиксирует ее как линейный размер исследуемого предмета.

Помимо этого для заявленных целей нередко применяются устройства, реагирующие на градиент электрических, магнитных, тепловых или механических характеристик. Возможны варианты, когда при измерении используются и другие свойства тел или сочетания из уже перечисленных ранее подходов.

Тепловой метод

Измерение магнитных полей этим методом основано на различии тепловых характеристик различных сред на границе их контакта. Его чаще всего применяют для контроля уровня жидкостей, а также для обнаружения и уточнения местонахождения объектов по характерному для них излучению. Принцип работы измерительных приборов этого класса основан на неодинаковости коэффициентов теплоотдачи различных тел (например, твердого и жидкого вещества).

Устройство под названием «тепловой уровнемер» изготавливается на основе проволочного терморезистора из меди, платины или нержавейки. Длина чувствительного элемента соответствует максимальному значению измеряемого уровня по высоте прибора. Терморезистор изготавливается в виде тонкой проволочки, вытянутой вдоль трубки с отверстиями. Их наличие обеспечивает свободный доступ жидкости к термочувствительному элементу и позволяет сгладить колебания температуры. Для снижения погрешностей измерений терморезистор располагается ближе к днищу резервуара с жидкостью, где он имеет с ней более надежный контакт.

Временная постоянная измерителей этого типа зависит от следующих характеристик чувствительного датчика:

Теплоемкость элемента.
Интенсивность отрыва капель жидкости от терморезистора и скорость их испарения.
Разница температур датчика и жидкой среды.

В уровнемерах со встроенными в них преобразователями с терморезистором, как правило, используются измерительные цепи мостового типа. Погрешности этих приборов не превышают показателя в 0,5-1,5%. За счет применения цепочек обратной связи абсолютную погрешность измерения размеров и уровней удается снизить до 5 мм. Подобная точность достигается путем поддержания параметров терморезистора в допустимых пределах и ограничения колебаний протекающего через него тока.

Емкостный и магнитный методы

Емкостное измерение магнитных полей вещества возможно лишь в ситуациях, когда обследуемые среды имеют сильно различающиеся показатели диэлектрической проницаемости. В данном случае именно по этой характеристике прибор регистрирует границу того или иного предмета.

Этот метод широко применяется в следующих целях:

При необходимости измерения уровней жидких сред и сыпучих материалов.
Для определения границы раздела двух жидкостей.
При измерении толщины однослойных диэлектрических пленок и листовых материалов прямо при производстве (на конвейере).

Магнитный метод измерения характеристик объектов в основном востребован при оценке геометрических показателей ферромагнетиков при затрудненном (одностороннем) доступе к искомому размеру. Кроме того, он широко применяется в дефектоскопии, где с его помощью удается обнаружить и локализовать возникшие повреждения в структуре материала.