Идея кажется фантастической. Что физик и астроном думают об искусственном магнитном поле для Марса
Считается, что Марс, который сегодня представляет собой холодную, сухую планету с очень тонкой атмосферой, раньше был куда более комфортным для жизни местом. Но у планеты исчезло магнитное поле, которое защищало ее от солнечного ветра, из-за этого пропала атмосфера, вода осталась только под поверхностью в виде вечной мерзлоты и Марс превратился в безжизненную пустыню с шапками льда из углекислоты на полюсах.
Фантазия на тему, как Марс мог бы выглядеть в далеком прошлом
«Тонкая атмосфера одновременно препятствует пребыванию жидкой воды на поверхности и затрудняет посадку космических аппаратов, так как она недостаточно плотная, чтобы способствовать мягкой посадке», — пишут Грин и его коллеги.
Как показали данные космического аппарат MAVEN, на которые ссылается Грин, под действием солнечного ветра атмосфера Марса теряет примерно 100 грамм каждую секунду, а при солнечных бурях — еще больше.
Грин рассматривал вопрос, как изменятся условия на Марсе, если создать ему магнитное поле искусственно, поместив источник магнитного поля между Марсом и Солнцем.
По задумке Грина, источник магнитного поля между Солнцем и Марсом «спрячет» планету в хвосте магнитосферы. Иллюстрация: NASA/J.GreenСредняя температура на Марсе — минус 60 градусов по Цельсию (может варьироваться от минус 125 градусов на полюсах до 20 градусов на экваторе в полдень). Чтобы растопить сухой лед на полюсах Марса, средняя температура должна подняться на четыре градуса. Особенно Грина с этой точки зрения интересует северный полюс, где под шапкой сухого льда скрывается обычный водяной лед. Испарение углекислого газа благодаря парниковому эффекту должно еще повысить температуру и привести к таянию водяного льда и частичному восстановлению марсианского океана.
Это, конечно, еще не сделает Марс похожим на комфортную для нас Землю. Основной компонент марсианской атмосферы — углекислый газ, также в небольших количествах присутствуют азот, аргон, кислород, угарный газ и другие газы.
«Мне как астроному эта идея кажется фантастической, поскольку затрата энергии на создание магнитного поля приемлемой напряженности в объеме планеты чудовищно велика. Если все же это удастся сделать, то атмосфера Марса действительно может стать более благоприятной для человека в смысле давления и влажности. Но кислород в ней все равно не появится сам по себе. Впрочем, если „на Марсе будут яблони цвести“, то в конце концов появится и кислород», — пояснил Владимир Сурдин, старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга МГУ.
Как можно было бы осуществить такой проект, Грин пишет весьма расплывчато. Он считает, что возможны конструкции, которые будут генерировать магнитное поле с индукцией 1−2 тесла (для сравнения: индукция магнитного поля Земли измеряется в микротесла).
«В принципе можно фантазировать на тему о том, как сделать очень легкий и очень большой (планетарных масштабов) проводящий (металлический) экран, развернутый вблизи Марса, снабдить его мощными атомными электростанциями, организовать систему токов по этому экрану так, чтобы они генерировали магнитное поле подходящей структуры, как сделать так, чтобы этот экран был устойчив, потратить на это чертову уйму денег и усилий, вместо того чтобы решать задачи, реально стоящие перед человечеством», — считает Дмитрий Соколов, профессор кафедры математики физфака МГУ.
В русскоязычных новостях об идее Грина написали в духе «NASA предлагает/решило создать у Марса искусственное магнитное поле». Но надо отметить, что на конференции Planetary Science Vision 2050 Workshop, где был прочитан доклад Грина, обсуждались лишь предположения о том, как исследование Солнечной системы могло бы выглядеть в будущем.
«Цель конференции — собрать экспертов в области планетных исследований Солнечной системы и смежных дисциплин вместе со специалистами в области космических технологий, чтобы определить потенциальные научные цели и технологические возможности, которые могут быть реализованы к концу 2040-х годов и поддержат следующую стадию исследований Солнечной системы», — говорится в описании мероприятия.
Иными словами, идея Грина обсуждается на стыке науки и научной фантастики и смотрится уместно в контексте других далеких от практики идей по колонизации Марса.
Екатерина Боровикова
Конвертер напряженности магнитного поля • Магнитостатика, магнетизм и электродинамика • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения
Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.
Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др.
единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Опилки в магнитном поле кубических магнитов
Общие сведения
Магнитная пленка-визуализатор позволяет «заглянуть внутрь» мощного неодимового магнита
Напряжённость магнитного поля и магнитная индукция. Казалось бы, зачем было физикам усложнять и без того сложные физические понятия при описании явлений магнетизма? Два вектора, одинаково направленные, отличающиеся разве что коэффициентом пропорциональности — ну какой в этом смысл с точки зрения простого человека, не слишком обременённого знаниями из области современной физики?
Тем не менее, именно в этом различии скрываются нюансы, позволившие учёным открыть и удивительные свойства различных веществ, и законы их взаимодействия с магнитным полем, и даже изменить наши представления об окружающем мире.
В действительности за этой разницей скрывается различный методологический подход. Упрощенно говоря, в случае использования понятия напряжённости магнитного поля мы пренебрегаем влиянием магнитного поля на вещество в конкретном случае; в случае применения понятия магнитной индукции, мы учитываем этот фактор.
С технической точки зрения, напряжённость магнитного поля сколь угодно сложной конфигурации достаточно просто рассчитать, а результирующую магнитную индукцию — измерить.
Левитация пиролитического графита
За этой кажущейся простотой скрывается титанический труд целой плеяды учёных, разделённых во времени и пространстве. Их идеи и концепции определили и определяют развитие науки и техники в прошлом, настоящем и будущем.
И неважно, как скоро мы овладеем термоядерной энергией с помощью нового поколения термоядерных реакторов, основанных на удержании «горячей» плазмы магнитным полем. Когда отправим в космос новые поколения исследовательских роботов на ракетах, основанных на применении иных принципов, чем сжигание химического топлива.
Или, в частности, решим задачу коррекции орбит микроспутников двигателями Холла. Или насколько полно сможем утилизировать энергию Солнца, как быстро и дёшево мы сможем передвигаться по нашей планете — имена первопроходцев науки навеки останутся в нашей памяти.
Магнитная пленка показывает как намагничен магнит для холодильника
Уже современному поколению учёных и инженеров двадцать первого века, вооружённому накопленными знаниями своих предшественников, покорится задача магнитной левитации, пока апробированная в лабораториях и пилотных проектах; и проблема извлечения энергии из окружающей среды с помощью технической реализации «демона Максвелла» с использованием невиданных до сих пор материалов и взаимодействий нового типа. Первые прототипы таких устройств уже появились на Kiсkstarter.
При этом будет решена главная проблема человечества — превращения в тепло накопленных за сотни миллионов лет запасов углей и углеводородов, нещадно изменяющих продуктами сгорания климат нашей планеты.
И грядущая термоядерная революция, гарантирующая, вслед за её бездумным освоением, тепловую смерть всякой органической жизни на Земле, не станет смертным приговором цивилизации. Ведь энергия любого вида, которую мы расходуем, в конце концов превращается в тепло и нагревает нашу планету.
Дело за малым — временем; доживём — увидим!
Историческая справка
Несмотря на то, что сами магниты и явление намагничивания были известны издавна, научное изучение магнетизма началось с работ французского средневекового учёного Пьера Пелерена де Марикура в далёком 1269 году. Де Марикур подписывал свои труды именем Петруса Перегрина (лат. Petrus Peregrinus).
Слева направо: Симеон Дени Пуассон, Шарль Огюстен де Кулон, Ханс Кристиан Эрстед, Андре-Мари Ампер, Уильямо Гилберт. Источник: Википедия
Исследуя поведение железной иглы возле сферического магнита, учёный обнаружил, что игла по-особенному ведёт себя возле двух точек, названных им полюсами. Так и подмывает дать аналогию с магнитными полюсами Земли, но в то время за такой образ мыслей легко можно было отправиться на костёр! Кроме того, исследователь обнаружил, что любой магнит всегда имеет (в современном представлении) северный и южный полюса.
И как не распиливай магнит в продольном или в поперечном сечении, всё равно каждый из полученных магнитов всегда будет иметь два полюса, как бы тонок он ни был.
«Крамольная» идея о том, что Земля сама по себе является магнитом, была опубликована английским врачом и натуралистом Уильямом Гилбертом в работе «De Magnete», увидевшей свет почти три века спустя в 1600 году.
Слева направо: Уильям Томпсон (лорд Кельвин), Феликс Савар, Франц Эрнст Нейман, Майкл Фарадей, Карл Фридрих Гаусс, Жан-Батист Био. Источник: Википедия
В 1750 году английский учёный Джон Митчелл установил, что магниты притягиваются и отталкиваются (взаимодействуют) в соответствии с законом «обратных квадратов». В 1785 году французский учёный Шарль Огюстен де Кулон экспериментально проверил предположения Митчелла и установил, что северный и южный магнитные полюса не могут быть разъединены. Тем не менее, по аналогии с открытым им ранее законом взаимодействия электрических зарядов, Кулон всё же предположил существование и магнитных зарядов — гипотетических магнитных монополей.
Основываясь на известных ему на то время фактов о магнетизме и на преобладающем в то время в науке методологическом подходе к построению теорий взаимодействия как о некоторых жидкостях, в 1824 году соотечественник Кулона Симеон Дени Пуассон создал первую успешную модель магнетизма. В его теоретической модели магнитное поле описывалось диполями магнитных зарядов.
Но буквально сразу же три открытия подряд поставили под сомнение модель Пуассона. Рассмотрим их ниже.
Датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1819 году заметил отклонение стрелки магнитного компаса при включении и отключении электрического тока, протекающего через проводник в виде проволоки, обнаружив, таким образом, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.
В 1820 году французский учёный Андре-Мари Ампер установил, что проводники с токами, текущими в одном направлении притягиваются, а в противоположном — отталкиваются. В том же 1820 году французские физики Жан-Батист Био и Феликс Савар открыли закон названный впоследствии их именами.
Этот закон позволял рассчитать напряжённость магнитного поля вокруг любого проводника с током вне зависимости от его геометрической конфигурации.
Обобщая полученные теоретические и экспериментальные данные, Ампер высказал идею об эквивалентности электрических токов и проявлений магнетизма. Он разработал свою модель магнетизма, в которой заменил магнитные диполи циркуляцией электрических токов в крошечных замкнутых петлях. Модель проявления магнетизма Ампера имела преимущество перед моделью Пуассона, поскольку объясняла невозможность разделения полюсов магнитов.
Демонстрация электромагнитной индукции с помощью катушки, гальванометра и постоянного магнита
Ампер также предложил для описания таких явлений термин «электродинамика», который расширил применение науки об электричестве к динамическим электрическим объектам, дополняя тем самым электростатику. Пожалуй, наибольшее влияние на понимание сути проявлений магнетизма оказала концепция представления взаимодействия магнитов через силовое поле, описываемое силовыми линиями, предложенная английским учёным Майклом Фарадеем.
Открытое в 1831 году Фарадеем явление электромагнитной индукции позднее было объяснено немецким математиком Францем Эрнстом Нейманом. Последний доказал, что возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него, является просто следствием закона Ампера. Нейман ввел в обиход науки понятие векторного магнитного потенциала, который во многом эквивалентен напряжённости силовых линий магнитного поля Фарадея.
Окончательную точку в споре двух моделей магнетизма поставил в 1850 году выдающийся английский физик Уильям Томпсон (лорд Кельвин). Введя понятие намагниченности среды M, в которой имеется магнитное поле, он не только установил зависимость между напряжённостью магнитного поля H и вектором магнитной индукции B, но и определил области применимости этих понятий.
Напряжённость магнитного поля. Определение
Напряжённость магнитного поля — это векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности М.
В Международной системе единиц (СИ) значение напряжённости магнитного поля определяется формулой:
H = (1/μ0) · B — M
где μ₀ — магнитная постоянная, иногда её называют магнитной проницаемостью вакуума
В системе единиц СГС напряженность магнитного поля определяется по другой формуле:
Н = B — 4·π·М
В Международной системе единиц СИ напряжённость магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м), в системе СГС — в эрстедах (Э).
В электротехнике встречается также внесистемная единица измерения напряжённости — ампер-виток на метр. С другими величинами измерения напряжённости магнитного поля, применяемыми в различных приложениях, и их переводами из одной величины в другую, можно ознакомиться в конвертере физических величин.
Измерительные приборы для измерения величины напряжённости магнитного поля, как и приборы для измерения магнитной индукции, называют тесламетрами или магнитометрами.
Напряжённость магнитного поля.
Физика явленийИсследовательский токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), работавший в научно-исследовательском институте государственной энергетической компании Hydro-Québec в пригороде Монреаля c 1987 по 1997 год, когда проект был закрыт для экономии бюджетных средств. Установка находится в экспозиции Канадского музея науки и техники
В вакууме (в классическом понимании этого термина) или в отсутствие среды, способной к магнитной поляризации или в случаях, когда магнитной поляризацией среды можно пренебречь, напряжённость магнитного поля Н совпадает (с точностью до коэффициента) с вектором магнитной индукции В. Для системы СГС этот коэффициент равен 1, для системы единиц СИ — μ0.
Напряжённость магнитного поля обусловлена свободными (внешними) токами, которые легко измерить или рассчитать. То есть напряжённость имеет смысл для внешнего магнитного поля, создаваемого катушкой с током, в которую вставлен материал, способный намагничиваться.
Если нас не интересует поведение материала под действием магнитного поля, то достаточно оперировать только напряжённостью магнитного поля. Например, напряженности будет достаточно для технического расчёта взаимодействия магнитных полей двух или более катушек с током. Результирующая напряжённость будет векторной суммой полей, создаваемых отдельными катушками с током.
Поскольку большинство электромагнитных устройств работает в воздушной среде, важно знать её магнитную проницаемость. Абсолютная магнитная проницаемость воздуха приблизительно равна магнитной проницаемости вакуума и в технических расчётах принимается равной 4π• 10⁻⁷ Гн/м.
Иное дело, когда нас интересует именно поведение среды, способной к намагничиванию, например, при использовании ядерных магниторезонансных явлений. При ЯМР ядра атомов, иначе называемые нуклонами и обладающие полуцелым спином (магнитным моментом), при воздействии магнитного поля поглощают или излучают электромагнитную энергию на определённых частотах.
В этих случаях необходимо учитывать именно магнитную индукцию.
В видеомагнитофонах, которые были популярными в конце XX и начале XXI века, используется несколько шаговых двигателей, в основе которых лежит как раз использование магнитного поля обмоток
Применение напряжённости магнитного поля в технике
В большинстве случаев практического применения магнитного поля, например, для его создания или для измерения его величины, напряжённость магнитного поля играет ключевую роль. Существует множество примеров использования магнитного поля, в первую очередь в измерительной технике и в различных установках для проведения экспериментов.
Магнитное поле определённой силы и конфигурации удерживает плазменные шнуры или потоки заряженных частиц в исследовательских термоядерных реакторах и в ускорителях элементарных частиц, предотвращая тем самым охлаждение плазмы при контакте с ограждающими стенками. Оно же отклоняет потоки ионов или электронов в спектрометрах и кинескопах.
Измерение напряжённости магнитного поля Земли в различных точках очень важно для оценки состояния её магнитосферы.
Существует даже целая сеть наземных станций и группировок научных спутников для мониторинга напряжённости магнитного поля Земли. Их работа позволяет предсказывать магнитные бури, возникающие на Солнце, сводя к минимуму, насколько это возможно, их последствия.
Детектор магнитных аномалий берегового патрульного самолета Королевских ВВС Канады Lockheed CP-140 Aurora
Измерение напряженности поля даёт возможность проводить различные изыскания, сортировать материалы и мусор, а также обеспечивать нашу безопасность, обнаруживая оружие террористов или заложённые мины.
Магнитометры
Магнитометрами называется целый класс измерительных приборов, предназначенных для измерения намагниченности материалов или для определения силы и направления магнитного поля.
Первый магнитометр был изобретён великим немецким математиком и физиком Карлом Фридрихом Гауссом в 1833 году. Этот прибор представлял собой оптический прибор с крутящимся намагниченным стержнем, подвешенным на золотой нити, и приклеенным к нему перпендикулярно оси магнита зеркалом.
Измерялось различие колебаний намагниченного и размагниченного стержня.
Ныне используются более чувствительные магнитометры на иных принципах, в частности, на датчиках Холла, джозефсоновских туннельных контактах (СКВИД-магнитометры) индукционные и на ЯМР-резонансе. Они находят широкое применение в различных приложениях: измерении магнитного поля Земли, в геофизических исследованиях магнитных аномалий и в поиске полезных ископаемых; в военном деле для обнаружения объектов типа подводных лодок, затонувших кораблей или замаскированных танков, искажающих своим полем магнитное поле Земли; для поиска неразорвавшихся или заложенных боеприпасов на местах ведения боевых действий. В связи с миниатюризацией и снижением потребления тока, современными магнитометрами оснащаются смартфоны и планшеты. Ныне магнитометры входят как неотъемлемый компонент в оборудование разведывательных беспилотных летательных аппаратов и спутников-шпионов.
Металлоискатель на пляже
Любопытная деталь: в связи с повышением чувствительности магнитометров, одним из факторов перехода строительства подводных лодок на титановые корпуса вместо стальных корпусов было именно радикальное снижение их заметности в магнитном поле.
Ранее подлодкам со стальным корпусом, как, впрочем, и надводным кораблям, приходилось время от времени проходить процедуру демагнетизации.
Магнитометры применяются при бурении скважин и проходке штолен, в археологии для оконтуривания раскопок и поиска артефактов, в биологии и медицине.
Металлодетекторы
Попытки использования напряжённости магнитного поля в военном деле предпринимались со времён Первой мировой войны, оставившей на полях сражений миллионы неразорвавшихся боеприпасов и установленных мин. Наиболее удачной оказалась разработка в начале 40-х годов прошлого столетия, поручика польской армии Юзефа Станислава Косацкого, принятая на вооружение британской армией и сослужившая немалую пользу при обезвреживании минных полей во время преследовании отступающих немцев войсками генерала Монтгомери при второй битве под Эль-Аламейном. Несмотря на то, что оборудование Коcацкого было выполнено на электронных лампах, оно весило всего 14 килограммов вместе с аккумуляторами питания и было настолько эффективным, что его модификации использовались британской армией в течение 50 лет.
Теперь нас не удивляет, в связи с распространением терроризма, прохождение перед посадкой на самолёт или на футбольные матчи сквозь индукционные рамки металлодетекторов, обследование охраной объектов нашего багажа или личный досмотр ручными металлоискателями на предмет обнаружения оружия.
Широкое распространение получили и бытовые металлоискатели, на пляжах модных курортов стала привычной картина искателей утерянных сокровищ, прочёсывающих местные пляжи в надежде найти что-либо ценное.
Эффект Холла и устройства на его основе
Использование датчика Холла в мобильном телефоне. Слева: магнитная пленка-визуализатор показывает наличие магнита в крышке чехла для телефона. Центр: если крышка закрыта, находящийся в ней магнит активизирует датчик Холла и телефон показывает часы, которые видны в окошке крышки. Справа: тот же эффект достигается с помощью магнита
Эдвин Холл (1855–1938). Источник: Википедия
Существует отдельный класс измерительных приборов, основанных на эффекте, открытом американским учёным Эдвином Холлом в 1879 году.
Суть этого явления заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (электрического поля) в проводнике с постоянным током, помещённым в магнитное поле, перпендикулярном направлению тока. Разность потенциалов вызвана различным действием силы Лоренца на носители зарядов противоположных знаков — они накапливаются возле противоположных сторон образца, пока электрическое поле не скомпенсирует действие силы Лоренца. Эффект Холла проявляется в различных материалах: в металлах он обусловлен отклонением электронов, в полупроводниках — отклонением электронов и дырок, в плазме — отклонением электронов и ионов.
В середине семидесятых датчики Холла широко использовались в клавиатурах; в клавишах были магнитики, которые управляли датчиками Холла
Поскольку сигнал, вырабатываемый за счёт эффекта Холла, относительно слаб, он требует дополнительного усиления. С развитием интегральной усилительной схемотехники появилась возможность технической реализации датчиков Холла, интегрированных с аналоговыми усилителями постоянного тока.
Также они могут интегрироваться в едином корпусе с аналого-цифровыми преобразователями и логическими схемами, образуя интерфейс для подключения к портам микроконтроллеров и компьютеров. Такие датчики находят применение в различных областях науки и техники.
Приложение Компас для смартфона с операционной системой Андроид
По принципу действия датчики Холла относятся к датчикам бесконтактного типа, они нечувствительны к разного рода загрязнениям и воздействию воды, компактны и потребляют мало электроэнергии. Неудивительно, что по этим причинам линейные и логические датчики Холла широко применяются в современных технологиях. Например, вы, скорее всего, не подозреваете, что Ваш автомобиль буквально напичкан датчиками Холла: они работают в системе зажигания автомобиля, в системе автоблокировки колёс и торможения, в блокировке дверей и датчиках расхода топлива, контроля зарядки аккумулятора (датчик тока на основе эффекте Холла) и тахометрах. И принтер, выдающий вам на заправке чек, использует датчики Холла в бесколлекторных двигателях постоянного тока и в датчиках бумаги.
Когда вы заходите в свой офис, открывая дверь магнитной карточкой, вы также пользуетесь считывателями магнитных карточек на основе датчиков Холла.
Использование датчика Холла в мобильном телефоне
Этот перечень можно продолжать достаточно долго, достаточно упомянуть применение датчиков Холла для определения положения крышки чехла в современных смартфонах. Следует отметить, что в качестве электронного компаса в смартфонах обычно используются магниторезистивные датчики так как их чувствительность к изменению магнитного поля намного выше, чем чувствительность датчиков Холла.
Применение измерения напряжённости магнитного поля в медицине
Александр Грейам Белл (1847–1922). Источник: Википедия
В 1874 году французский изобретатель Гюстав Труве разработал первое устройство для обнаружения пуль и осколков снарядов в теле раненых бойцов. Позднее изобретатель телефона американец Александр Белл (который обижался, когда его называли именно так, поскольку у него были не менее революционные изобретения в других областях техники) усовершенствовал этот аппарат и даже пытался с помощью него спасти раненого президента США Джеймса Гарфилда.
К сожалению, попытка локализации пули оказалась неудачной.
Густав Пиер Труве (1839–1902). Источник: Википедия
Сейчас предложение врачей пройти МРТ-обследование в аппаратах, которые используют в работе напряженность магнитного поля, вызывает тревогу только из-за его возможных результатов, тем не менее, необходимость прохождения обследования не вызывает сомнения.
Визуализация напряжённости магнитного поля
Увидеть само магнитное поле и распределение его напряжённости в пространстве помогают современные магниточувствительные материалы — магнитные жидкости и плёнки. Конечно, можно пилить напильником какую-нибудь стальную деталь для получения некоторого количества железных опилок с целью повторить опыты с магнитами времён Средневековья. Современные высокотехнологичные разработки дают возможность их неоднократного использования без непроизводительного перевода материалов.
Ферромагнитная жидкость
Порой получаются довольно занимательные картинки прямо из мира, который нам не дано ощущать в силу нашего ограниченного восприятия.
Но, возможно, именно они натолкнут вас на идею их применения в новом качестве и для новых целей.
Не менее занимательны опыты по воспроизведению шумов переориентации магнитных доменов, известных как эффект Баркгаузена. Обычно для этих опытов используют катушку металлической проволоки и вставленное в нее тело из материала, который легко намагничивается. Катушку подключают к усилителю чтобы слышать шум, вырабатываемый во время переориентации доменов. Когда тело намагничивается, магнитные домены перемещаются так, что вместо случайно направленных они становятся направленными в определенном направлении. Это движение и вызывает характерный шум, который слышен через усилитель и громкоговоритель. Для его перевода в ощутимый эффект, необходимо использовать дополнительные усилители и вставлять фильтр по частоте переменного тока (в Европе это фильтр на 50 Гц, в Штатах и Канаде — фильтр на 60 Гц) или фильтровать сигналы сетевой частоты программно.
Видите, как много полезных и интересных применений у напряженности магнитного поля? Надеюсь, что мы убедили вас попробовать некоторые наблюдения и эксперименты из этой статьи.
Если вы не хотите проводить их сами, то на YouTube много занимательных видео на эту тему.
Ферромагнитная жидкость
Автор статьи: Сергей Акишкин
Unit Converter articles were edited and illustrated by Анатолий Золотков
Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.
цены на Магнитометры в НКПРОМ
При помощи индикатора магнитного поля 3821.002 можно определить остаточный магнетизм в деталях, например, после проведения магнитопорошкового контроля, а также положение и полярность магнитных полюсов. Индикатор имеет высокий класс чувствительности и реагирует даже на самые незначительные изменения в магнитном поле. Данный прибор подходит для сравнительных измерений, например, чтобы отличить достаточно и недостаточно размагниченные детали.На вращающейся стрелке прибора расположен небольшой магнит, на который оказывает воздействие внешнее магнитное поле.
Другой магнит внутри корпуса сохраняет указатель в нулевой позиции до тех пор, пока отсутствует внешнее магнитное поле.
Сила магнитного поля измеряется в том месте, где вращается магнит: на стрелке прибора на расстоянии примерно 16 мм от передней и задней части корпуса. Стрелка прибора находится на расстоянии 16 мм от отмеченной «TEST» точки соприкосновения и видна через смотровое стекло. Индикатор имеет две шкалы. Верхняя черная шкала измеряет в Гауссах силу однородного магнитного постоянного поля, направление которого параллельно нулевой позициии указателя и отмеченной «TEST»- стрелке. Нижняя красная шкала предназначена для определения величины и направления неизвестного магнитного поля, в котором через вращение определяют наивысшую точку шкалы. На этом месте стрелка указывает направление магнитного поля. Напряженность этого магнитного поля показывает красная нижняя шкала.
Когда указатель отклоняется вправо (+ по шкале), то указывает при помощи отмеченной «TEST»- стрелки направление северного магнитного полюса, а когда влево, то указывает направление южного магнитного полюса.
(Примечание относительно магнитного поля Земли: Географический Северный полюс является южным магнитным полюсом).
Использование
Чтобы проверить деталь на наличие остаточного магнетизма, устанавливают контакт между деталью и нижней стороной индикатора, где стрелка указывает на «TEST». В этом положении можно проверить всю деталь.При этом следует убедиться, что стрелка индикатора всегда перемещается в диапазоне шкалы и не зашкаливает. При необходимости снять индикатор с детали.
Когда позиция сильного остаточного магнетизма найдена, рекомендуется наклонить и повернуть прибор, чтобы снять максимальные показания.
Влияние формы детали
Точечные или линейные магнитные источники как концы, прорези или края детали, генерируют очень неоднородные магнитные поля, напряженность которых быстро падает с увеличением расстояния. Индикатор 3821.002 измеряет магнитные поля на расстоянии 16 мм от точки касания его корпуса с деталью. Таким образом, индицируемое значение силы поля всегда будет меньше, чем непосредственно преобладающее на поверхности обрабатываемой детали.
Точность, температурный диапазон
Погрешность измерений в однородном постоянном поле составляет ± 10 % от конечного значения шкалы. Допустимый температурный диапазон составляет 20 °C ± 10 °C. Все индикаторы поставляются с сертификатом контроля качества. Прибор проходит испытания, соответствующие национальным и международным стандартам.
Содержание, чистка и уход
Перед использованием необходимо проверить прибор на лёгкость хода, слегка потрясти его, и нулевую точку шкалы в состоянии покоя. Медленно поверните индикатор в горизонтальном положении один раз вокруг себя в пространстве без внешних помех.
Максимальное отклонение влево и вправо должно быть при этом одинаковым. Магнитное поле Земли в горизонтальном положении составляет примерно ±1 Гс. Показания равны нулю, когда точка касания («TEST»-стрелка) указывает на запад или восток, так как индикатор менее чувствителен к магнитным полям в перпендикулярном положении к «TEST»-стрелке.
Не помещайте индикатор в магнитное поле, сила которого больше 400 Гс, и не роняйте прибор. Когда показания не возвращаются на нулевой уровень, это признак того, что прибор подвергся воздействию сильного магнитного поля или сильного механического удара или вибрации. Кроме того можно повредить указатель и индикатор.
Очищайте прибор мягкой тканью. Избегайте попадания пыли и влаги на индикатор магнитного поля.
Magnetism — Измерение магнитного поля — Called, Measured, Squid и Junction
Магнитное поле или магнитный поток Плотность измеряется в метрических единицах гаусс (Гс) и соответствующей международной системной единице тесла (Тл).
Один из видов гауссметра, который обычно используется в лаборатории, состоит из токонесущего полупроводникового элемента, называемого зондом Холла, который размещается перпендикулярно измеряемому магнитному полю.Как следствие так называемого эффекта Холла перпендикулярное напряжение
Магнитометры — чрезвычайно чувствительные детекторы магнитного поля.
В одной из часто используемых форм магнитная сила обнаруживается с помощью чувствительных электронных весов. В этом приборе магнитное вещество помещается на одно плечо весов, которое, в свою очередь, помещается в магнитное поле. Затем магнитная сила, действующая на образец, определяется весом, необходимым для уравновешивания силы, создаваемой магнитным полем. Самый чувствительный магнитометр в современной лаборатории физики использует магнитный чувствительный элемент, называемый СКВИД (что означает сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство).СКВИД состоит из чрезвычайно тонкого электрически резистивного перехода (называемого джозефсоновским переходом) между двумя сверхпроводниками. Сверхпроводники — это материалы, которые при низких температурах претерпевают переход в состояние с нулевым электрическим сопротивлением
Разновидностью СКВИД-магнитометра является СКВИД-градиентометр, который измеряет разницу в магнитных полях в разных положениях. С помощью этого типа прибора можно регистрировать вариации магнитного поля в диапазоне фемтотесла (10 -15 тесла). Устройства этого типа использовались для отображения крошечных магнитных сигналов от человеческого мозга .
Измерение и расчет ЭДС
Измерение электрических и магнитных полей
Это довольно технический отчет о принципах измерения — для более простой версии см. Предыдущий переключатель.
Первые коммерческие приборы, разработанные специально для измерения полей промышленной частоты, стали доступны в 1980-х годах. Сейчас доступно множество инструментов, которые различаются по различным характеристикам:
(a) Количество осей обнаружения . Нет датчиков, которые непосредственно оценивают результирующее поле в случайном направлении в пространстве; датчики обычно измеряют поле в одном направлении. Счетчик может иметь один датчик. Если он выровнен пользователем с направлением максимального поля, он будет давать показание максимального поля в одном направлении; общее результирующее поле может быть между 1.0 и 1,41 раза от этого значения в зависимости от степени поляризации. Если измеритель имеет три ортогональных датчика, результирующее поле может быть получено из трех значений, измеренных путем сложения корня из суммы квадратов: Результат = (X 2 + Y 2 + Z 2 ) 1 / 2 .
Это результирующее значение не зависит от ориентации измерителя, что значительно упрощает его использование.
Подробнее об эллиптически поляризованных полях
(б) Мера поля .Возможны различные измерения синусоидальной волны, например пиковое, выпрямленное среднее, среднеквадратичное (среднеквадратичное). Для одной частоты, то есть чистой синусоидальной волны, их можно масштабировать, чтобы получить тот же результат, но при наличии гармоник они могут значительно отличаться. В отсутствие известного биофизического механизма нет убедительных оснований для утверждения, что какая-то одна мера верна. Однако, по аналогии с другими областями науки об измерениях, существует предположение, что среднеквадратичное значение является предпочтительной мерой. Некоторые измерители фиксируют фактическую форму волны для будущего анализа.
(в) Амплитудно-частотная характеристика . Инструменты могут быть чувствительны к одной частоте, например.
50 Гц или 60 Гц или диапазон частот. Если чувствителен к диапазону частот, отклик может быть ровным или может быть пропорционален частоте. Плоская частотная характеристика между 20 или 30 Гц и несколькими килогерцами обычно считается подходящей для многих измерений общего назначения.
(г) Размер датчиков . Датчики могут быть сделаны небольшими — несколько миллиметров — и, следовательно, способны исследовать изменения поля на небольших расстояниях.Однако также могут быть случаи, когда желательно использовать более крупные датчики, которые измеряют среднее поле по своей площади. Вот два различных способа изготовления прибора для измерения магнитного поля:
Датчик слева имеет три катушки, центрированные друг относительно друга. Они имеют воздушную сердцевину и для получения необходимой чувствительности имеют тысячи витков проволоки. Эти примеры имеют размер 10 см кв.
Датчик справа имеет катушки гораздо меньшего размера, чтобы сделать общий счетчик меньшего размера.
Для получения чувствительности, несмотря на меньшие размеры, катушки имеют стальные сердечники. Это означает, что они не могут быть сосредоточены на одной и той же точке; они расположены отдельно, под прямым углом друг к другу (две плоские на плате внизу слева, третья, вертикальная, катушка снабжена белой механической опорой внизу справа).
(e) Считывание и регистрация . Счетчики могут иметь аналоговые или цифровые дисплеи. Они могут отображать значение только в реальном времени, или они могут иметь возможность регистрировать значения с различной степенью сложности и вычислять различные параметры поля, такие как средние или максимальные.
Учитывая различия в возможностях, предоставляемых счетчиком, неизбежны различия в размере, весе и потреблении батареи. Некоторые счетчики больше всего подходят для детальных обследований специалистами; другие маленькие и достаточно легкие, чтобы их могли носить добровольцы в течение длительного времени.
Не существует «правильного» или «лучшего» измерителя.
Выбор лучшего измерителя зависит от цели, для которой он будет использоваться.
Измерение магнитных полей
Для измерения магнитных полей широко используются три различных датчика:
(a) Поисковые катушки .Простейшие измерители измеряют напряжение, наведенное в катушке с проводом. Для синусоидально изменяющегося магнитного поля B с частотой f индуцированное в катушке напряжение V определяется выражением:
V = -2 π f B 0 A cos (ω t)
, где ω = 2 π f — частота поля, A — площадь петли, а B 0 — составляющая B, перпендикулярная петле.
Напряжение, индуцированное данным полем, увеличивается с добавлением большего количества витков провода или ферромагнитного сердечника — см. Примеры выше.Чтобы предотвратить помехи от электрических полей, датчик магнитного поля должен быть экранирован. Если измеритель используется для обследований или измерений индивидуального облучения, частоты ниже примерно 30 Гц должны быть отфильтрованы, чтобы удалить напряжения, наведенные в зонде движением измерителя в магнитном поле земли.
(б) Феррозондовые магнитометры . Они обнаруживают магнитное поле по асимметрии, которую оно создает в ферромагнитном материале, сознательно приводимом в магнитное насыщение поочередно в противоположных направлениях с высокой частотой.
(в) Устройства на эффекте Холла . Датчик предназначен для измерения поперечного напряжения Холла на тонкой полоске полупроводникового материала, по которой проходит продольный ток.
В большинстве практических приборов для измерения частот мощности используются поисковые катушки, либо одна катушка, либо три ортогональных катушки. Сами катушки можно сделать как можно меньше с ферромагнитным сердечником для увеличения чувствительности для использования в индивидуальных экспонометрах, где размер и вес являются важными критериями; или они могут быть больше, часто 0.1 м в поперечнике, чтобы повысить чувствительность и обеспечить некоторое пространственное усреднение. Феррозондовые магнитометры нельзя сделать такими маленькими или дешевыми, но они обладают тем преимуществом, что они реагируют на поля постоянного тока так же, как и на переменный ток. Устройства Холла мало используются, так как их разрешение хуже, и они страдают от дрейфа, но используются в более высоких полях.
Измерение электрических полей
Измерители электрических полей обычно используют в качестве датчиков две параллельные токопроводящие пластины. Альтернативные датчики, например основанные на вращении поляризованного света, встречаются реже.
Доступны трехкоординатные измерители электрического поля, но более распространены одноосные измерители. Отчасти это связано с тем, что для электрических полей сложнее сделать трехосные измерители, чем для магнитных полей, а отчасти потому, что в одной общей ситуации измерения, вблизи земли под воздушными линиями электропередач или рядом с ними, электрическое поле линейно поляризовано и в известной направление (вертикальное), поэтому одноосного измерителя вполне достаточно.
Человек, держащий измеритель электрического поля, будет возмущать поле.Для измерения невозмущенного поля измеритель обычно подвешивают на конце длинного непроводящего горизонтального стержня или вертикального штатива. Показания считываются с расстояния на дисплее подходящего размера, записываются в измерителе для последующего анализа или передаются на считывающее устройство по оптоволокну. Это может снизить возмущение до приемлемого уровня. Однако, учитывая легкость возмущения электрических полей, легко сделать ошибочные измерения, особенно когда есть:
- крайних значения температуры и влажности;
- недостаточное расстояние зонда от исследователя;
- нестабильность в положении счетчика;
- потеря токонепроводящих свойств опорного стержня.
Электрические поля также можно измерять в фиксированных точках, например под линиями электропередачи или в лабораторных камерах для экспонирования путем измерения тока, собираемого плоской проводящей пластиной, установленной на уровне земли. Для синусоидальных полей плотность электрического потока может быть рассчитана на основе площади пластины (A), диэлектрической проницаемости вакуума, частоты (f) и измеренного тока, индуцированного в пластине, в приведенном ниже выражении:
E = I rms / 2πfε 0 A
Существуют индивидуальные измерители воздействия электрических полей.Однако ношение измерителя на теле непредсказуемо нарушает измеряемое электрическое поле. Обычно при измерении воздействия электрических полей на большие группы людей измеритель помещается в нарукавную повязку, карман рубашки или сумку на поясе. Возмущение окружающего поля телом не позволяет получить абсолютное значение поля, и, в лучшем случае, среднее значение таких измерений отражает относительный уровень воздействия.
Датчики магнитного поля для измерения магнитных полей 15 Гц
Эти калиброванные одноосные катушечные датчики представляют собой экономичные инструменты для измерения магнитных полей от 5 Гц до 1 МГц.Они реагируют на переменное или высокочастотное магнитное поле, параллельное оси катушки, и вырабатывают аналоговое выходное напряжение, откалиброванное по напряженности магнитного поля. Вы отображаете выходное напряжение на собственном приборе (вольтметр переменного или радиочастотного тока, мультиметр, осциллограф или анализатор спектра с высоким входным сопротивлением).
Прослеживаемые по NIST данные калибровки распечатываются и поставляются с каждым датчиком. Для этих датчиков не требуется аккумулятор или источник питания. Это простые, точные и доступные датчики для измерения магнитного поля, тестирования EMC / EMI / RFI и поиска и устранения неисправностей.Частота выходного напряжения датчика такая же, как частота магнитного поля. Диапазон частот, указанный в таблице ниже, имеет выходное напряжение сенсора не менее 0,7 мВ на мГс. Датчики можно использовать на других частотах, но выходное напряжение будет ниже, как показано на графике ниже. Эти датчики не измеряют статические или постоянные магнитные поля от магнитов, намагниченного металла или магнитного поля Земли.
| Модель датчика | Диапазон частот | диапазоны ITU | Цена грн | Наличие | Размер, форма * | |
| MC910 | 5 Гц — 400 Гц | Высокий пик 60 Гц покрывает 20-200 Гц | ELF / SLF | 190 $. | В наличии | C4 |
| MC858 | 10 Гц — 300 Гц | Пик 58 Гц покрывает 30-100 Гц | ELF / SLF | 95. | На складе | B2 или C3 |
| MC876 | 10 Гц — 400 Гц | Пик 76 Гц покрывает 30-200 Гц | ELF / SLF | 95. | На складе | B2 или C3 |
| MC95A | 20 Гц — 5 кГц | , плоский широкополосный, 50-1000 Гц, 1 мГ = 1 мВ | SLF / ULF | 150 $. | На складе | B2 или C3 |
| MC95R | 20 Гц — 50 кГц | 1,4 кГц (приблизительно) высокий резкий пик | SLF / ULF / VLF | 125. | На складе | B2 или C3 |
| MC95RW ** | 20 Гц — 50 кГц | 1,6 кГц (приблизительно) высокий резкий пик | SLF / ULF / VLF | 95 долларов. | На складе | B2 или C3 |
| MC95-220 | 20 Гц — 50 кГц | округленный пик 1,8 кГц: широкополосный | SLF / ULF / VLF | 125. | На складе | B2 или C3 |
| MC90R | 15 Гц — 20 кГц | 1.8 кГц (приблизительно) высокий резкий пик | SLF / ULF / VLF | 240 долл. США | На складе | C4 |
| MC90-110 | 15 Гц — 20 кГц | округленный пик 1,8 кГц: широкополосный | SLF / ULF / VLF | 190. | В наличии | C4 |
| MC90-022 | 15 Гц — 20 кГц | 0.2-20 кГц плоский широкополосный 1 мГн = 5 мВ | ULF / VLF | 190. | В наличии | C4 |
| MC110R | 5 кГц — 1 МГц | 120 кГц (приблизительно) высокий резкий пик | LF | 125. | В наличии | B1 |
| MC110A | 5 кГц — 1 МГц | 120 кГц округленный пик: широкополосный | LF | 125 долларов. | В наличии | B1 |
| MC190-205 | 1 кГц — 100 кГц | 8 кГц (приблизительно) высокий пик | VLF | 175. | В наличии | C5 |
| MC162 | 2 кГц — 700 кГц | 5-700 кГц плоский широкополосный 1 мГ = 1 мВ | VLF / LF | 190 $. | В наличии | C5 |
| MC165 | 2 кГц — 1 МГц | 5-1000 кГц плоский широкополосный 1 мГ = 1 мВ | VLF / LF | 240 долл. США | январь ’22 | C5 |
* Датчики имеют длину от 1 до 5 дюймов, разъем BNC: Щелкните здесь , чтобы узнать размер, форму и таблицу разъемов
** MC95RW имеет 3-проводный выход, а не коаксиальный или BNC.Фото внизу страницы.
График показывает типичное выходное напряжение датчика (вольт на гаусс или мВ на мГс) на каждой частоте, возникающей в результате непрерывного магнитного поля. Используйте этот график (или напечатанные калибровочные данные) и выходное напряжение датчика, чтобы определить поле в гауссах. Отдельные датчики могут отличаться на своих более высоких частотах, поэтому данные калибровки распечатываются и отправляются с каждым датчиком.
- Примеры: на вашей частоте, если вольт на гаусс = 1 (по вертикальной оси), и вы измеряете 80 мВ, то поле = 80 мГс.
- Или на вашей частоте: если вольт на гаусс = 8 (по вертикальной оси), и вы измеряете 80 мВ, то поле = 10 мГс.
- Если ваш дисплей измеряет среднеквадратичное значение вольт, значит, вы измеряете среднеквадратичную напряженность магнитного поля.
- Если ваш дисплей измеряет пиковое напряжение, значит, вы измеряете пиковую напряженность магнитного поля.
- Преобразование единиц: 10G = 1 мТл, 1 мГс = 0,1 мкТл.
Использование датчика : Подключите датчик к вашему устройству отображения (мультиметр, вольтметр переменного или высокочастотного тока, анализатор спектра или осциллограф и т. Д.).Поместите датчик в то место, где вы хотите измерить напряженность магнитного поля.
Датчик является одноосным и реагирует на магнитное поле, параллельное оси датчика, которое проходит по самому длинному измерению датчика (параллельно надписи на этикетке датчика). Чтобы увидеть максимальное поле, поверните датчик в разные стороны, чтобы найти наибольшее значение, тогда ось датчика параллельна направлению поляризации магнитного поля. Направление поляризации поля (максимальное показание) часто перпендикулярно направлению к источнику поля.
Показание также будет увеличиваться по мере приближения к источнику поля, хотя многолучевые отражения могут вызывать изменения. Иногда вы не увидите точно такое же значение, когда снова проверите то же место, обычно это связано с тем, что датчик находится не в том же месте и в том же направлении, что и датчик. Держите датчик неподвижно. Для датчиков с очень низкой частотой (ELF) рывки или тряски вызывают ложные показания, вызванные движением датчика через статическое магнитное поле Земли.
Для определения магнитного поля: посмотрите измеренное выходное напряжение вашего датчика и таблицу данных калибровки, поставляемую с каждым датчиком (или график выше), чтобы определить поле на вашей частоте.
Если ваш прибор может отображать частоту, вы можете прочитать преобладающую частоту магнитного поля. Вы также можете использовать датчик с регистратором данных, который принимает напряжение на вашей частоте.
Длина используемого коаксиального кабеля может существенно повлиять на показания выше 50 кГц из-за емкости коаксиального кабеля.Для получения дополнительной информации о входном сопротивлении и длине кабеля см. Ссылку на сопротивление ниже. Резкое изгибание или рывки коаксиального кабеля может привести к поломке проводов внутри коаксиального кабеля, что обычно считается ошибочными показаниями.
Минимальное измеряемое поле и разрешение : Они определяются разрешением и уровнем шума вашего устройства отображения, датчик вносит незначительный шум.
Максимальное измеряемое поле : датчик может быть поврежден магнитными полями, производящими выходное напряжение датчика более 50 вольт.Если вы не уверены, лучше постепенно увеличивать и уменьшать поле. Так как это датчики B-точки, внезапное включение или выключение поля, быстрое нарастание или спад или другие резкие скачки в поле, такие как некоторые изменения частоты, могут вызвать скачок переходного напряжения на выходе этих B-точек. датчики, которые могут повредить датчик (особенно толстые цилиндрические резонансные датчики MC90R и MC90-110). Насыщение активной зоны может вызвать погрешности окружающего поля более 50 Гаусс (5 мТл) в воздухе. Датчик размеров C4 и C5 может начать насыщаться при 25 Гаусс (2.5 мТл), потому что эти сенсорные жилы длиннее: около 4 дюймов.
Диапазон температур : Датчики могут работать от -30 C до + 55 C (от -20 F до +130 F) или, в некоторых случаях, в более широком диапазоне температур.
Калибровка : Калибровочные стандарты и инструменты отслеживаются NIST. Каждый датчик калибруется индивидуально с использованием непрерывного (синусоидального) магнитного поля на нескольких частотах, и данные калибровки распечатываются и отправляются с каждым датчиком. Поскольку это пассивные датчики, точность калибровки обычно сохраняется в течение многих лет.
Дисплей Полное сопротивление прибора : Для получения калиброванного результата мы рекомендуем высокий входной импеданс и короткую длину коаксиального кабеля. Для получения дополнительной информации см .: Импеданс
.Технические примечания : Эти поисковые катушки также известны как индуктивные или B-точечные датчики: выходное напряжение является производной по времени от магнитного поля. Если на осциллографе магнитное поле непрерывное (синусоидальное), то вы увидите косинусоидальное выходное напряжение на осциллографе. На анализаторе спектра обычно можно увидеть частотные компоненты Фурье магнитного поля, если они находятся в полосе пропускания датчика.При воздействии резкого повышения или понижения магнитного поля (например, импульса, всплеска или прямоугольного импульса поля «прямоугольная машина») выходное напряжение датчика будет показывать всплеск из-за внезапного изменения поля, а также датчика. выходной сигнал может продолжать «звонить» в течение нескольких миллисекунд на собственных резонансных частотах цепи датчика и более высоких частотных паразитах. Эти датчики также могут использоваться для мониторинга вибрации для измерения механических вибраций с использованием магнитного поля Земли.
Если датчик сломан, это обычно происходит из-за прерывистого коаксиального разъема, или обрыва центрального коаксиального проводника из-за резкого изгиба, или повреждения датчика из-за быстрого изменения магнитного поля, которое вызвало скачок напряжения в катушке датчика.
В эллиптически поляризованных полях максимальное показание датчика будет параллельно главной оси эллипса поляризации, поэтому эти одноосные датчики позволяют избежать некоторых ошибок, наблюдаемых для большинства трехосных гауссметров переменного тока в полях с эллиптической или круговой поляризацией и около 3- фазовые линии электропередачи из-за последовательной выборки поляризаций поля X, Y, Z большинством трехосевых измерителей.
Как измеряется сила магнита
Когда мы рассматриваем «силу» магнита, есть несколько измерений, которые по-разному влияют на силу магнита, что часто может сбивать с толку.Это также зависит от того, что подразумевается под силой; тянущая сила и напряженность магнитного поля часто суммируются как сила.
В этой статье мы по очереди опишем каждый атрибут, который влияет на характеристики магнитов, и ответим на вопрос, как измеряется сила магнита?
МАГАЗИН ВСЕ МАГНИТЫ ПО МАТЕРИАЛАМ
ПРОДУКТ МАКСИМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ
Максимальное произведение энергии магнита измеряется в мегагаусс-эрстедах (MGOe). Это основной показатель «силы» магнита.Как правило, чем выше максимальное значение произведенной энергии, тем большее магнитное поле будет генерировать магнит в конкретном приложении.
Максимальное произведение энергии, также называемое BHmax, рассчитывается путем умножения остаточной магнитной индукции (Br) и коэрцитивной силы (Hc).
РЕМАНЕНТ
Остаточная магнитная индукция, измеряемая в гауссах, описывается как магнетизм, который остается в магните после устранения внешней магнитной силы, приложенной для его намагничивания. Когда материал намагничен, он обладает остаточной силой, поскольку магнетизм в какой-то момент был индуцирован внешним магнитным полем.
ЦЕННОСТЬ
Коэрцитивная сила магнита — это энергия, необходимая для уменьшения намагниченности намагниченного объекта до нуля, который ранее был намагничен до точки насыщения. По сути, он измеряет сопротивление магнитного материала размагничиванию. Коэрцитивная сила магнитного материала измеряется в эрстедах (Э).
Максимальный энергетический продукт, остаточная намагниченность и коэрцитивная сила могут быть измерены только с помощью машины для проверки графика гистерезиса, которая строит кривую гистерезиса во втором квадранте.
.ЗАПРЕЩЕНИЕ ПОТОКА ОТКРЫТОГО КОНТУРА
Напряженность магнитного поля, измеряемая в гауссах или теслах (10000 гаусс = 1 тесла), также является обычным измерением силы магнитов, поскольку это представление плотности магнитного поля, создаваемого магнитом, известного как поток. плотность.
Магнитное поле можно представить как силовые линии магнитного поля, проходящие через магнит вдоль его направления магнетизма. Напряженность поля соответствует плотности силовых линий в данной области.Общее количество силовых линий магнитного поля, пронизывающих площадь, называется плотностью магнитного потока.
Величина остаточной намагниченности магнита — это плотность магнитного потока, удерживаемая магнитом, когда он находится в замкнутой цепи. Когда магнит удаляется из машины для проверки графика гистерезиса, он больше не находится в замкнутой цепи и считается разомкнутой цепью. Магнетизм мгновенно падает до гораздо более низкого уровня, и это значение зависит от соотношения между площадью поверхности и ее относительной магнитной длиной.Магниты с небольшими полюсами и большой длиной имеют гораздо более высокие плотности потока в разомкнутой цепи, чем магниты с большими полюсами и относительно небольшой магнитной длиной.
Плотность потока в разомкнутой цепи можно измерить с помощью гауссметра и датчика Холла. Плотность потока разомкнутой цепи для неодимовых магнитов редко превышает 6000 Гаусс, но поскольку неодимовые магниты имеют прямолинейную кривую размагничивания, плотность потока будет расти, когда магнит погружен в цепь, а расстояние между севером и югом уменьшается за счет введения стали. .Следовательно, плотность магнитного потока может возрасти от значения разомкнутой цепи почти до значения остаточной намагниченности.
ПРОЧНОСТЬ НА ТЯНИ
Поскольку неодимовые магниты стали более широко использоваться, большинство производителей и поставщиков предоставляют силу тяги для каждого из своих магнитов, чтобы показать, какой вес может выдержать магнит.
Сила натяжения — это максимально возможная удерживающая сила магнита, измеряемая в килограммах. Это сила, необходимая для того, чтобы оторвать магнит от плоской стальной поверхности, когда магнит и металл имеют полный и прямой контакт поверхность-поверхность.Марка металла, состояние поверхности и угол натяжения — все это влияет на прочность на разрыв.
КРИВАЯ ЗАЗОРА
Кривая растягивающего зазора отображает тяговую силу магнита при прямом контакте с толстым и плоским куском стали, а затем через постоянно увеличивающийся диапазон воздушных зазоров. Все магниты можно испытать в различных воздушных зазорах с помощью машины для испытания на разрыв.
Итак, при выборе магнита ключевые моменты, на которые следует обратить внимание, — это максимальное значение произведения энергии магнита, значение холостого хода или поверхностного гаусса и максимальная сила тяги.Эти три атрибута позволяют сравнивать один магнит с другим.
Самыми сильными магнитами в мире являются неодимовые магниты, которые производятся разных марок, однако каждой марке присвоено удобное название, которое позволяет сразу определить, какой магнит сильнее. Доступные в продаже неодимовые магниты марки от N35 до N55; число после буквы «N» представляет собой максимальное произведение энергии магнита. Итак, как вы уже догадались, неодимовый магнит марки N55 примерно на 50% сильнее магнита N35 того же размера.
СРАВНЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ГАУССА
- 0,5 Гаусс — магнитное поле Земли у ее поверхности
- 100 Gauss — Типичный магнит на холодильник
- 1,100 Gauss — марка магнитной резины Y
- 3700 Gauss — Ферритовые (керамические) магниты
- 11000 Gauss — Самарий, кобальт сорт 2:17 магнит
- 12,500 Gauss — Магнит 5 класса Alnico
- 13000 Гаусс — неодимовый магнит марки N42
Измерение магнитного поля применительно к современным электросетям
Предисловие xi
Предисловие xv
Благодарности xvii
1 Введение 1
1.1 Магнетизм и магнитные поля: исторический взгляд 1
1.1.1 Исторический взгляд на магнетизм 1
1.1.2 Магнитное поле 4
1.1.3 Математика магнетизма 5
1.1.4 Магнетизм в повседневной жизни 7
1.1.5 Магнитные поля в промышленности 9
1.2 Магнитные поля в современных энергосистемах 10
1.2.1 Компоненты современных энергосистем 10
1.2.2 Обнаружение и интерпретация магнитного поля 15
1.3 Магниты в интеллектуальных сетях 19
1.3.1 Магнитное поле вместо объективов интеллектуальных сетей 19
1.3.2 Измерения магнитного поля для инновационных приложений 22
Библиография 22
2 Современные технологии измерения магнитного поля на основе магнитосопротивления 25
2.1 Введение 25
2.2 Прогресс в технологиях MR-зондирования 25
2.2.1 Датчики AMR 26
2.2.2 Датчики GMR 29
2.2.3 Датчики TMR 32
2.2.4 Датчики CMR 34
2.3 Ограничения датчиков на основе MR эффекта 35
2.3.1 Шумовые характеристики 36
2.3.2 Шумозащитные и профилактические меры 39
2.3.3 Шум между осями 41
2.4 Схема датчика и обработка сигналов 42
2.4.1 AMR: Импульс установки / сброса 43
2.4.2 GMR: Температурная компенсация и униполярный выход 46
2.4.3 TMR: Повышенный уровень шума при низких частотах 48
2.5 Обзор установленных технологий измерения магнитного поля 49
Библиография 50
3 Измерение магнитного поля для систем передачи энергии 53
3.1 Введение 53
3.2 Реконструкция электрического тока 55
3.2.1 Реконструкция с использованием методов стохастической оптимизации 55
3.2.2 Реконструкция с оптимальным размещением минимального количества измерительных узлов 61
3.3 Мониторинг параметров работы линий электропередачи 79
3.3.1 Удлинение и движение проводника 79
3.3.2 Обнаружение и оценка 82
3.4 Пространственный мониторинг HVTL в реальных сценариях 89
3.4.1 Математическая модель HVTL в реальных сценариях 89
3.4.2 MF of HVTL в движении для реальных сценариев 95
3.4.3 MF проводников для случайного двунаправленного движения 97
3.4.4 Унифицированный алгоритм для обнаружения провисания и движения проводников 100
3.4.5 Проверка предлагаемого подхода 102
3.4.6 Анализ устойчивости к шуму и погрешности 106
3.5 Единая реконструкция тока и рабочие параметры HVTL 109
3.6 Определение места повреждения в воздушных линиях HVTL 119
3.6.1 Типы коротких замыканий 119
3.6.2 Обнаружение неисправностей с помощью магнитных датчиков 121
Библиография 140
4 Измерение магнитного поля для современных подстанций 143
4.1 Введение в подстанции на основе ГИС 143
4.1.1 Интеллектуальные подстанции 143
4.1.2 КРУЭ 144
4.1.3 Подстанции на базе КРУЭ 145
4.2 Электронные трансформаторы тока на основе MR 146
4.2.1 Экспериментальные исследования эффектов гистерезиса в датчиках MR 147
4.2.2 MR-датчики с магнитным экраном 159
4.3 Характеристики широкополосного магнитного поля 170
4.3.1 Переходные магнитные поля 170
4.3.2 Оценка воздействия событий TMF на электронное оборудование 171
4.4 Широкополосное точечное измерение TMF на подстанциях с датчиками MR 173
4.4.1 Влияние размера датчика 173
4.4.2 Дизайн системы точечных измерений 175
4.4.3 Лабораторные испытания системы измерения 176
4.4 .4 Тестирование на месте 179
4.5 Защита от шума и внешнего поля 180
4.5.1 Метод измерения тока на основе матрицы MR-датчиков с подавлением помех 183
4.5.2 Измерение тока на основе алгоритма адаптивного фильтра 194
4.5.3 Измерение тока в условиях сильных помех 202
Библиография 214
5 Измерение магнитного поля для систем распределения электроэнергии 219
5.1 Введение 219
5.2 Неинвазивное обнаружение на основе измерения магнитного поля 220
5.3 Магнитные датчики для HEMS5 223 9000
5.3.1 Магнитные датчики обеспечивают неразрушающий мониторинг для HEMS 224
5.3.2 Метод обнаружения для идентификации края 226
5.3.3 Обсуждение 241
5.4 Локализация и идентификация неисправностей на основе измерений магнитного поля 242
5.4.1 Введение 242
5.4.2 Неинвазивная идентификация на основе MR 243
5.4.3 Локализация и идентификация неисправностей на основе распределенной сети датчиков 245
5.5 Магнитные датчики для исследования воздействия ЭМП 247
5.5.1 Магнитные поля и здоровье 247
5.5.2 Системы мониторинга магнитной среды 249
5.5.3 Выбор датчиков 251
5.5.4 Дизайн системы 252
5.6 Сбор больших данных в энергетике 255
5.6.1 Концепция больших данных 255
5.6.2 Большие данные в энергии 257
5.6.3 Неинвазивный сбор больших данных энергетики 259
Библиография 260
6 Инновационные измерения магнитного поля для систем выработки электроэнергии 265
6.1 Введение 265
6.2 Мониторинг состояния синхронных машин 266
6.2.1 Введение 266
6.2.2 Мониторинг скорости 267
6.2.3 Мониторинг вибрации 268
6.2.4 Обнаружение трещин 270
6.2.5 Идентификация подписи электрической машины 270
6.2.6 Измерение магнитного поля для мониторинга состояния синхронного Генераторы 271
6.3 Магнитное поле и возобновляемые источники энергии 272
6.3.1 Обычно используемые возобновляемые источники энергии 273
6.3.2 Возможные области применения 274
6.3.3 Проблемы 279
Библиография 280
7 Future Vision 285
7.1 Контрольно-измерительные приборы и измерения на основе магнитного поля в интеллектуальных сетях 285
7.1.1 Системы передачи 285
7.1.2 Системы распределения 286
7.1. Системы 3 поколения 287
7.2 Интеграция с существующими энергосистемами 288
7.2.1 Шансы 289
7.2.2 Проблемы 290
7.3 Будущее развитие 291
7.3.1 Характеристики 292
7.3.2 Стандартизация 292
7.3.3 Приложения 293
Библиография 294
Указатель 295
Что такое гаусс-метр? Как это работает?
Современная версия магнитометра Гаусса известна как измеритель Гаусса. Измеритель Гаусса может измерять направление и интенсивность небольших (относительно) магнитных полей. Для более сильных магнитных полей используется измеритель Тесла, который аналогичен, но измеряет в более крупных единицах Тесла.Измеритель Гаусса состоит из зонда / датчика Гаусса, измерителя и соединительного кабеля. Измеритель Гаусса работает на основе эффекта Холла, открытого в 1879 году Эдвином Холлом.
Пионер в изучении магнитных полей Карл Фрейдерих Гаусс (1777-1855) также всеми считается одним из величайших математиков. Он разработал одно из первых устройств, которое можно было использовать для измерения направления и силы любого магнитного поля — магнитометр. Он также разработал систему единиц для измерения магнетизма, и в честь него современные единицы для магнитной индукции или плотности магнитного потока в метрической системе (CGS) известны как GAUSS.Основной единицей магнитного потока в системе измерения СИ является ТЕСЛА (названная так в честь Николы Тесла, отца электричества) и 1 ТЕСЛА = 10000 ГАУСС.
Каков принцип работы гауссметра? Что такое эффект Холла?
Магнитные поля влияют на электрические токи, поскольку электричество и магнетизм связаны между собой. Когда ток проходит через проводник, расположенный под прямым углом к магнитному полю, сила магнитного поля толкает электроны к одной стороне проводника.Неуравновешенная концентрация электронов создает измеримое напряжение, которое прямо пропорционально силе магнитного поля и тока, но обратно пропорционально плотности заряда и толщине проводника. Этот эффект известен как эффект Холла.
Математическая формула: V = IB / nd , где «V» — создаваемое напряжение, «B» — сила магнитного поля, «I» — ток, «n» — плотность заряда, «d». — толщина проводника, а «е» — заряд отдельного электрона.
Как работает гауссметр?
Самая важная часть гауссметра, зонд Холла, обычно плоский, чтобы лучше всего измерять поперечные магнитные поля. Некоторые зонды являются осевыми или цилиндрическими, и они используются для измерения полей, параллельных зонду, например, магнитного поля внутри соленоида (цилиндрические катушки из проволоки, которые становятся магнитными, когда через них проходит электрический ток).
Оба типа могут использоваться для измерений магнитного поля общего назначения, но плоские или поперечные зонды необходимы для измерения магнитных полей в открытых пространствах, включая небольшие зазоры внутри или внутри магнитов, а также для простых магнитов или ферромагнитных объектов.Зонды хрупкие, особенно когда они предназначены для измерения небольших магнитных полей, и они усилены латунью для защиты от неблагоприятных условий окружающей среды.
Измеритель использует зонд для подачи испытательного тока через проводник, и из-за эффекта Холла создается напряжение, которое затем регистрируется. Поскольку напряжение колеблется и редко бывает статическим, измеритель обычно фиксирует показания на заданном значении и записывает их вместе с максимальным обнаруженным значением напряжения. Некоторые гауссметры также могут различать поля переменного и постоянного тока, поскольку они автоматически вычисляют RMS (среднеквадратичное значение) полей переменного тока.
Как пользоваться гауссметром?
- Включите гауссметр и удерживайте датчик — датчик имеет датчик.
- Держите зонд над магнитом — плоско, если это зонд Холла.
- Удерживайте несколько секунд, чтобы измерить наивысший рейтинг.
Выше приведен наиболее общий способ использования гауссметра. Большинство магнитов имеют предварительно измеренные рейтинги, но исследователи, электрики, преподаватели, дизайнеры продуктов и некоторые другие находят гауссметр полезным при разработке или работе над проектами.
Кому нужен гауссметр? Где можно использовать гауссметр?
Измеритель Гаусса может быть полезным устройством для измерения силы магнитных полей, а некоторые могут даже измерять направление полярности. Простой тестер напряжения на самом деле также является разновидностью гауссметра, поскольку он обнаруживает поток электричества из-за создаваемого магнитного поля. Измеритель Гаусса может использоваться для измерения:
✔️ Магнитного поля постоянного и переменного тока (40 ~ 500 Гц)
✔️ Полярность магнитов постоянного тока N / S
✔️ Остаточное магнитное поле после обработки механических деталей
✔️ Напряженность магнитного поля в магнитном прикладные продукты
✔️ Остаточное магнитное поле, создаваемое напряжением после обработки нержавеющего материала
✔️ Магнитная сила намагничиваемого материала
✔️ Естественный магнетизм различных стальных изделий
✔️ Магнитное поле двигателей и других бытовых приборов
✔️ Напряженность магнитного поля постоянных магнитов
✔️ Обнаружение магнитного поля утечки, создаваемого сверхпроводящими магнитами
✔️ Одновременное измерение температуры и магнитной напряженности
Продолжительное воздействие магнитных полей может быть вредным для здоровья (хотя исследования еще не установлены), и если вы Что касается того же, гаусс-метр может также пригодиться для измерения и регулирования напряженность магнитного поля различного оборудования вокруг вашего дома.Измерители Гаусса используются для измерения электромагнитного излучения в местах, где люди живут или работают, и полученные значения используются для сравнения с пределами стандартов безопасности, установленных различными глобальными директивами или правилами.
Промышленное использование гауссметров включает в себя точные и повторяемые измерения силы магнетизма, связанные с техническим использованием постоянных магнитов и любых ферромагнитных компонентов. Измерители Гаусса позволяют проводить неразрушающие измерения магнитного поля в двигателях постоянного или переменного тока, громкоговорителях, магнитных цепях или компонентах, таких как реле, магнитные переключатели или катушки, классификации магнитов и даже для остаточных или паразитных магнитных полей / полей рассеяния.Их также можно успешно использовать для определения того, влияют ли какие-либо статические или динамические электромагнитные поля на работу точных электронных устройств в месте их установки.
Гауссметр Metravi GM-197 предназначен как для статических, так и для электромагнитных, постоянного и переменного тока (40-500 Гц), определяет полярность статических магнитов N / S, может измерять напряженность магнитных полей как в гауссовой, так и Тесла.
Он измеряет до 0 ~ 3000 мТл (милли Тесла) / 0 ~ 30000 Гс (Гаусс) и имеет функцию относительного / удержания пика / нуля в реальном времени.Также поставляется с автоматическим диапазоном, удержанием данных, удержанием максимума / минимума, сигнализацией GO и NO-GO, а также функцией установки значения сигнализации и производственным тестированием. Он имеет емкость для 200 записей вручную и 6000 автоматических данных. Интервал можно настроить с помощью ПК. Доступен интерфейс USB для обмена данными с ПК, а также имеется прикладное программное обеспечение с функцией реального времени.
Система регистрации реакции магнитного поля
датчика
Система регистрации отклика магнитного поля (LAR-TOPS-29)
Система, которая обеспечивает питание и принимает измерения от беспроводных датчиков индуктивности-емкости.
Обзор
Исследователи из Исследовательского центра NASA в Лэнгли разработали систему сбора данных, которая использует магнитные поля для подачи питания на датчики и получения с них измерений физических свойств.В отличие от традиционных устройств сбора данных, эта система может выполнять несколько измерений различных, не связанных между собой физических свойств без ограничения ограниченным количеством каналов сбора данных. Обладатель престижной награды R&D 100, эта технология была продемонстрирована ведущим производителем шасси самолетов для беспроводного измерения уровней жидкости в стойках амортизаторов шасси. В дополнение к измерениям уровня жидкости, вращения, температуры, фазовых изменений материала, близости, положения и объема были продемонстрированы все измерения.
Технология
Это устройство сбора данных использует магнитные поля для питания и опроса пассивных датчиков индуктивности и конденсатора. Система сбора результатов измерений создает серию нарастающих гармоник магнитного поля в диапазоне частот, выделенном для каждого датчика. Индукция Фарадея через гармонические магнитные поля создает ток в датчике. Когда датчик электрически активен, он создает собственное гармоническое магнитное поле, поскольку индуктор накапливает и выделяет магнитную энергию.Антенна системы сбора результатов измерений переключается из режима передачи в режим приема для получения отклика датчика магнитного поля. Атрибуты отклика магнитного поля, такие как частота, амплитуда и ширина полосы индуктивности, соответствуют состояниям физических свойств, измеренным датчиком. Полученный ответ соотносится с данными калибровки для определения измерения.
Преимущества
- Обеспечивает беспроводное питание датчиков, устраняя необходимость в источнике питания датчика
- Получает сигналы от датчиков по беспроводной сети, устраняя необходимость в сигнальной проводке
- Снижает вес системы за счет меньшего количества проводов
- Устраняет риск возникновения электрической дуги во взрывоопасных условиях
- Позволяет использовать в коррозионных, радиоактивных, экстремальных температурах и других опасных условиях
- Позволяет проводить измерения в областях, недоступных ранее из-за ограничений проводки
- Весы, позволяющие легко добавлять новые датчики
- Одновременное измерение нескольких несвязанных физических свойств, устраняя ограничения на количество каналов сбора данных, необходимых для традиционных систем сбора данных
Приложения
- Автомобилестроение, автоспорт и грузоперевозки — давление в шинах, износ протектора, скорость вращения колес, уровень топлива и температура двигателя
- Aerospace — исправность шасси, целостность фюзеляжа
- Промышленное — температура литейной печи, уровень криогенной жидкости, процесс отверждения материалов
Детали технологии
Категория датчики
Номер ссылки LAR-TOPS-29
Номер (а) дела LAR-16571-1
Патент (ы) 7,075,295 7,589,525 7,086,593 7,159,774 7,047,807 7,759,932 .