Принципиальные методы измерения напряженности и индукции магнитного поля в магнетиках
Прямое измерение индукции магнитного поля при помощи витка с током основано на явлении электромагнитной индукции Фарадея.
Напомним один из основных законов электромагнетизма.
Измерение напряженности магнитного поля методом Гаусса
Данный метод применяется для измерения магнитного поля Земли.
Постоянные магниты — это магнетики, вектор намагниченности J → которых остается неизменным (или меняется незначительно) при внесении магнетика во внешнее магнитное поле.
На этом определении и базируется суть метода. Для измерения напряженности магнитного поля методом Гаусса берется постоянный магнит в форме стержня, намагниченный параллельно оси. Если поместить такой магнит в постоянное магнитное поле с индукцией B → , на него будет действовать вращающий магнитный момент M → .
Здесь P m → — магнитный момент стержня. Под действием момента M → стержень, вращаясь вокруг своего центра масс, придет в состояние равновесия и установится вдоль вектора поля B → . При небольших отклонениях от положения равновесия возникают колебания с периодом T = 2 π θ P m → B → , где θ — момент инерции стержня.
Магнит-стержень закрепляется перпендикулярно магнитному полю B → , а на расстоянии r от его центра помещается маленькая магнитная стрелка. Стержень можно считать магнитным диполем, а для магнитного поля стержня в месте нахождения стрелки можно записать:
Под воздействием полей B → и B → 1 стрелка установится под углом α к постоянному магнитному полю:
t g α = B 1 B = 2 P m B r 3 .
Измеряя период T и вычисляя угол α , находят магнитный момент стержня и значение индукции магнитного поля.
Принципы измерения магнитных полей, приборы для измерения параметров магнитного поля
Магнитные измерения имеют большое практическое значение для контроля качества магнитных материалов, изготовления магнитных устройств, исследования магнитных свойств веществ, изучения магнитных явлений в природе и технике.
Первые магнитные компасы, указывающие направления на магнитные полюса Земли, появились еще в третьем веке до Нашей эры на территории Китая. Это были приборы в форме круглых разливательных ложек с короткими ручками, изготовленные из магнитного железняка.
Ложку ставили выпуклой частью на гладкую медную или деревянную поверхность, по которой вокруг были нанесены деления с изображениями знаков зодиака, обозначающие стороны света. Чтобы привести компас в действие, ложку слегка подталкивали, и она начинала вращаться. В конце концов, когда ложка останавливалась, ее ручка указывала точно на южный магнитный полюс Земли.
Начиная с двенадцатого века компасы активно начали применяться путешественниками в Европе. Их устанавливали как на сухопутном транспорте, так и на морских судах, с целью определения магнитного склонения.
С конца восемнадцатого века магнитные явления стали объектом пристального внимания и изучения для ученых того времени. Кулон в 1785 году предложил метод количественной оценки напряженности магнитного поля Земли. В 1832 году Гаусс показал возможность определения абсолютного значения напряженности магнитного поля путем более точных измерений.
Связь между магнитными явлениями и силовыми эффектами, наблюдаемыми во время движения электрических зарядов, впервые в 1820 году установил Эрстед. Позже Максвелл запишет эту связь в рациональной форме — в форме математических уравнений (1873 год):
На сегодняшний день для измерения параметров магнитного поля применяется следующая техника:
- тесламетры — приборы для измерения величин напряженности Н или индукции магнитного поля В;
- веберметры — приборы для измерения величины магнитного потока Ф;
- градиентометры — приборы для измерения неоднородностей магнитного поля.
- приборы для измерения магнитного момента М;
- приборы для измерения направления вектора В;
- приборы для измерения магнитных постоянных различных материалов.
Такие приборы называют магнитометрами. Все эти приборы основаны на различных физических явлениях, связанных с магнитным полем, таких как электромагнитная индукция, магниторезистивность, магнитооптика, магнитоэластичность, магнитохимия и др.
Магнитометры могут быть разных типов, в зависимости от физического принципа работы, например, магнитостатические, индукционные, квантовые и т.д.
Они позволяют изучать магнитные свойства различных объектов, таких как земное магнитное поле, магнитные материалы, магнитные наночастицы, магнитные домены, магнитные вихри и др. Они также имеют широкое применение в разных областях науки и техники, таких как метрология, геофизика, астрофизика, биофизика, медицина, электроника, информационные технологии и др.
Вектор магнитной индукции B характеризует интенсивность силового действия со стороны магнитного поля (на полюс или на ток) и поэтому является его главной характеристикой в данной точке пространства.
Таким образом, исследуемое магнитное поле может взаимодействовать силовым образом либо с магнитом, либо с элементом тока, а также способно наводить ЭДС индукции в контуре, если магнитное поле, пронизывающее контур, изменяется с течением времени, либо если контур изменяет сове положение относительно магнитного поля.
На элемент проводника с током длиной dl в магнитном поле с индукцией B будет действовать сила F, величина которой может быть найдена с помощью следующей формулы:
Значит индукция B исследуемого магнитного поля может быть найдена по силе F, которая действует на проводник заданной длины l, с постоянным током известной величины I, помещенный в это магнитное поле.
Практически магнитные измерения удобно проводить, используя величину, называемую магнитным моментом. Магнитный момент Pm характеризует контур площади S с током I, а величина магнитного момента определяется так:
Если используется катушка из N витков, то ее магнитный момент будет равен:
Механический момент M силового магнитного взаимодействия может быть найден исходя из значений магнитного момента Pm и индукции магнитного поля B следующим образом:
Однако для измерения магнитного поля не всегда удобно пользоваться его механическими силовыми проявлениями. Благо, есть еще одно явление, на которое можно опереться. Это явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции в математической форме записывается так:
Итак, магнитное поле проявляет себя силами либо наводимой ЭДС. При этом источником самого магнитного поля, как известно, является электрический ток.
Если ток порождающий магнитное поле в данной точке пространства известен, то напряженность магнитного поля в этой точке (на расстоянии r от элемента тока) можно найти с помощью закона Био-Савара-Лапласа:
Стоит отметить, что магнитная индукция B в вакууме связана с напряженностью магнитного поля H (порожденного соответствующим током) следующим соотношением:
Магнитная постоянная вакуума в системе СИ определяется через ампер. Для произвольной же среды данная константа есть отношение магнитной индукции в данной среде к магнитной индукции в вакууме, и называется эта константа магнитной проницаемостью среды:
Магнитная проницаемость воздуха практически совпадает с магнитной проницаемостью вакуума, поэтому для воздуха магнитная индукция B практически тождественна напряженности магнитного поля H.
Единица измерения магнитной индукции в системе СИ — тесла [Тл], в системе СГС — Гаусс [Гс], причем 1 Тл = 10000 Гс. Измерительные приборы для определения индукции магнитного поля, называются тесламетрами.
Напряженность H магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м), причем 1 ампер/метр задается как напряженность магнитного поля соленоида бесконечной длины с единичной плотностью витков, при протекании по данному соленоиду тока в 1 ампер. Один ампер на метр можно определить и иначе: это напряженность магнитного поля в центре круглого витка с током в 1 ампер при диаметре витка в 1 метр.
Здесь же стоить отметить такую величину как магнитный поток индукции — Ф. Это — скалярная величина, в системе СИ она измеряемая в веберах, а в системе СГС — в максвеллах, причем 1 мкс = 0,00000001 Вб. 1 Вебер — это магнитный поток такой величины, что при убывании его до нуля, по сцепленной с ним проводящей цепи сопротивлением 1 Ом, пройдет заряд в 1 Кулон.
Если принять за исходную величину магнитный поток Ф, то индукция магнитного поля B – это будет не что иное, как плотность магнитного потока. Приборы для измерения магнитного потока называются веберметрами.
Веберметры позволяют определить магнитный поток, протекающий через замкнутый контур, который может быть как проводником, так и воздушным промежутком. Они используются для измерения магнитного потока в катушках, трансформаторах, электродвигателях и других электромагнитных устройствах.
Выше мы отметили, что магнитная индукция может быть определена либо через силу (или через механический момент), либо через наводимую в контуре ЭДС. Это так называемые прямые измерительные преобразования, при которых магнитный поток или магнитная индукция выражаются через другую физическую величину, (силу, заряд, момент, разность потенциалов) которая однозначно связана с магнитной величиной посредством фундаментального физического закона.
Преобразования же, где магнитная индукция B или магнитный поток Ф находятся через ток I либо длину l или радиус r, называются обратными преобразованиями. Такие преобразования выполняются с опорой на закон Био-Савара-Лапласа, с использованием известного соотношения между магнитной индукцией B и напряженностью магнитного поля H.
Обратные преобразования позволяют определить магнитные характеристики различных элементов электрических цепей, таких как катушки индуктивности, соленоиды, тороиды и т.д. Для этого необходимо знать геометрические размеры элемента, число витков и ток, протекающий по нему.
По этим данным можно вычислить магнитный поток, пронизывающий элемент, магнитную индукцию внутри и снаружи элемента, а также коэффициент самоиндукции элемента. Эти величины имеют важное значение для анализа и расчета электрических цепей, содержащих индуктивные элементы.
Прямые и обратные преобразования могут быть объединены в комплексные методы измерения магнитных величин, которые учитывают взаимодействие между различными элементами магнитной системы. Такие методы позволяют определить не только магнитный поток и магнитную индукцию, но и другие параметры, такие как магнитная проницаемость, магнитная восприимчивость, намагниченность, остаточная магнитная индукция и т.д.
Для комплексных методов измерения магнитных величин используются специальные приборы, такие как магнитные балансы, магнитные мосты, магнитные компараторы, магнитные анализаторы и т.д. Эти приборы позволяют сравнивать магнитные величины с эталонными значениями, которые обеспечиваются стандартными образцами или калибровочными катушками.
Магнитные балансы — это приборы, которые измеряют магнитный момент образца, уравновешивая его моментом вспомогательного магнита или силой тяжести.
Магнитные мосты — это приборы, которые измеряют магнитную проницаемость или магнитную восприимчивость образца, сравнивая его сопротивление с сопротивлением эталонного образца или катушки.
Магнитные компараторы — это приборы, которые измеряют магнитную индукцию или магнитный поток образца, сравнивая его с индукцией или потоком эталонного образца или катушки.
Магнитные анализаторы — это приборы, которые измеряют магнитные характеристики образца в зависимости от внешнего поля, температуры, частоты и других факторов.
Градиентометры – это приборы, которые измеряют неоднородности магнитного поля, то есть первые производные от силы тяжести. Они позволяют обнаруживать аномалии гравитационного поля, связанные с различными геологическими структурами, такими как рудные месторождения, карстовые воронки, подземные пещеры и т.д.
Градиентометры могут быть установлены на искусственных спутниках Земли, чтобы получать глобальные модели гравитационного поля. Градиентометры работают по принципу крутильных весов, которые реагируют на изменение силы тяжести в зависимости от расстояния между ними.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Индукционные методы измерения магнитных полей
Метод измерения напряженности магнитного поля основан на явлении электромагнитной индукции. Небольшой виток проводника соединим с гальванометром, причем плоскость витка поместим перпендикулярно к магнитному полю. Будем считать, что магнитный поток, который пронизывает контур, равен $Ф$. В том случае, если быстро повернуть виток вокруг его оси на угол, равный $\frac<\pi >$, или убрать из магнитного поля, то магнитный поток через контур станет равен $нулю$. Равенства $нулю$ потока можно достигнуть, если, например, выключить ток, который порождает магнитное поле. В случае изменения магнитного потока ток, который возникнет в витке, равен:
где $R$ — суммарное сопротивление цепи (сопротивление контура, гальванометра и подводящих проводов). Заряд, который пройдет через гальванометр за время изменения магнитного потока от $Ф$ до $0$, равен:
Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты
Гальванометр позволяет измерить заряд $q$. Значит, из формулы (2) можно вычислить магнитный поток $(Ф)$, а далее индукцию магнитного поля $(B)$. Для того чтобы увеличить чувствительность, используют не один виток, а небольшую катушку из $N$ витков, площадью $S$ каждый. В таком случае магнитный поток выразим как:
Определение 1
Катушка, которая служит для измерения магнитного потока и, соответственно, магнитной индукции, называется флюксметром. Прибор градуируют для непосредственного указания магнитного потока или индукции.
Пояс Роговского
Магнитное напряжение ($\int\limits_<\overrightarrowd\overrightarrow>,\ где\overrightarrow-перемещение$) можно измерить с помощью явления электромагнитной индукции. В общем случае данный интеграл зависит не только от положения точек (1) и (2), но и кривой, которая соединяет эти точки. Но можно определить такую совокупность кривых, что заданный интеграл будет иметь одинаковые значения. Это возможно, если от одной кривой можно перейти к другой непрерывной деформацией, не пересекая электрических токов. Например, используем проволочную спираль, которая навита на гибкий ремень и ее концы соединены с гальванометром (рис.1). Ось спирали проходит вдоль линии, по которой необходимо измерить магнитное напряжение между точками (1) и (2).
«Индукционные методы измерения магнитных полей» ��
Помощь эксперта по теме работы
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов
Магнитный поток $(Ф)$ можно измерить флюксметром. Поток магнитной индукции выразим как:
если $S$ — площадь витка и $N$ — количество витков не изменяются вдоль спирали, (4) можно записать как:
Следовательно, магнитное напряжение можно представить как:
Надо отметить, что магнитное поле спирали складывается из полей круговых токов, мы их учли, но также есть составляющая тока, которая параллельна оси спирали, ее магнитное поле не учтено. Помимо этого есть магнитное поле подводящих проводов. Для того чтобы влияние неучтенных полей исключить, спираль навивают на ремень в два слоя, которые идут навстречу друг другу. Концы проводов выводят в одном месте, например, в середине и подводящие провода скручивают. В таком виде данный прибор называют поясом Роговского (рис.1 (б)). Для того чтобы измерить напряжение магнитного поля, пояс Роговского размещают между нужными точками вдоль заданной кривой. Выключают ток, который создает магнитное поле. Гальванометр показывает искомое магнитное напряжение.
Для измерения индукции магнитного поля используют также то, что электрическое сопротивление висмута существенно увеличивается под воздействием магнитного поля (примерно на $5 %$ на каждую десятую долю тесла). Так, спираль висмута градуируют и помещают в магнитное поле, измеряют относительное изменение ее сопротивления.
Задание: Объясните, как при помощи флюксметра измерить магнитное поле внутри длинного соленоида, если его торцы закрыты крышками из немагнитного материала. Обмотка соленоида, намотанная на цилиндрический сердечник, доходит до самых концов цилиндра.
Решение:
Флюксметр ввести внутрь соленоида нельзя, так как по условию задачи торцы соленоида закрыты. Размеры флюксметра можно считать малыми в сравнении с радиусом цилиндра. С помощью флюксметра необходимо измерить магнитное поле в центре одного из оснований цилиндрического сердечника. Поле внутри соленоид будет в два раза больше.
Задание: Рассчитайте напряженность магнитного поля $(H)$, которое создается между полюсами магнита с помощью маленькой катушки: площадь ее поперечного сечения $S=3\cdot ^м^2$, количество витков равно $N=60$. Если при повороте катушки в этом магнитном поле на угол, равный $\pi $, через гальванометр, соединенный с этой катушкой, пройдет заряд, равный $q_0=4,5^Кл.$ Сопротивление всей цепи равно $R=40 Ом$.
Решение:
При повороте катушки в магнитном поле в ней возникает индукционный ток, который можно вычислить, используя формулу, связывающую силу тока $(I)$ и изменение заряда $(dq)$:
Или, используя закон Ома:
ЭДС индукции ($<<\mathcal E>>_i$) при этом можно найти из закона Фарадея:
При этом магнитный поток запишем как:
Подставим (2.4) в (2.3), получим:
Приравняем правые части выражений (2.5) и (2.2), получим:
Проинтегрируем обе части уравнения (2.6), имеем:
Выразим из (2.6) магнитную индукцию, получим:
Используя соотношение, связывающее индукцию и напряженность магнитного поля:
\[\overrightarrow=\mu <\mu >_0\overrightarrow\ \left(2.8\right),\]
где $\mu =1$, из (2.7) получим выражение для напряженности магнитного поля:
Ответ: $H=\frac<2<\mu >_0NS>.$
Магнитные измерения
Магни́тные измере́ния, измерения параметров магнитного поля и характеристик магнитного состояния вещества. К параметрам магнитного поля относятся магнитная индукция , напряжённость магнитного поля и магнитный поток , а к основным характеристикам магнитных свойств вещества – магнитный момент , намагниченность , коэрцитивная сила и остаточная намагниченность , магнитная восприимчивость , магнитная проницаемость , константы магнитной анизотропии , потери на перемагничивание . Важнейшей характеристикой магнитного вещества является также его магнитная атомная структура .
Измерение параметров магнитного поля
Магнитную индукцию и напряжённость магнитного поля в свободном от вещества пространстве измеряют устройствами, называемыми тесламетрами (гауссметрами) или магнитометрами . В качестве датчиков магнитного поля применяют датчики Холла , магниторезонансные датчики , СКВИД-датчики и феррозондовые датчики.
В датчиках Холла для измерения поля используется одноимённый эффект , заключающийся в отклонении под действием силы Лоренца потока электронов в материале, находящемся в магнитном поле. В результате в направлении, поперечном направлению тока, возникает холловская разность потенциалов , пропорциональная напряжённости поля, вызвавшей отклонение. Приборы на датчиках Холла наиболее распространены и позволяют измерять магнитное поле в широком диапазоне значений магнитной индукции: от 10 –7 до десятков Тл с чувствительностью до 10 –8 Тл и постоянной времени порядка 10 –4 с.
Действие магниторезонансных датчиков основано на эффекте Зеемана – расщеплении энергетических уровней атома в магнитном поле в результате взаимодействия ядерных магнитных моментов атомов с полем или электронных магнитных моментов атомов с полем . При проведении измерений система атомов поляризуется, т. е. создаётся разность населённости между расщеплёнными энергетическими уровнями. Действие электромагнитного поля с изменяющейся частотой индуцирует переходы с более населённых расщеплённых уровней на менее населённые. Это сопровождается поглощением энергии на частоте, прямо пропорциональной величине расщепляющего, т. е. измеряемого поля, называемой резонансной частотой. По измеренной резонансной частоте определяют величину поля, в которое помещён датчик. Тесламетры с магниторезонансными датчиками способны регистрировать поля с индукцией от 10 –5 до десятков тесла с разрешением до 10 –12 Тл и постоянной времени порядка 10 –6 с.
В СКВИД-датчиках используется эффект Джозефсона , заключающийся в туннелировании электронов через диэлектрик , помещённый между двумя сверхпроводниками (джозефсоновский переход). В СКВИД-датчике, содержащем джозефсоновские переходы, происходит взаимодействие в переходах между током, наводимым в датчике измеряемым полем, и током, пропускаемым через датчик, в результате чего последний получает вполне определённую зависимость от измеряемого поля. Фактически СКВИД-датчики позволяют регистрировать изменение магнитного потока. Тесламетры со СКВИД-датчиками позволяют измерять индукцию магнитного поля с разрешением до 10 –14 Тл, и на сегодняшний день являются наиболее чувствительными устройствами для измерения магнитного поля (постоянная времени порядка 10 –6 с). СКВИД-датчики могут использоваться для измерения полей до нескольких Тл, но максимальной чувствительности достигают в достаточно слабых полях – до 10 –3 Тл.
Магнитное поле может также измеряться индукционным методом, согласно которому в измерительной катушке, помещённой в изменяющееся поле, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея наводится эдс индукции , пропорциональная скорости изменения магнитного потока через катушку. Измеряется либо амплитуда эдс (при периодическом изменении поля), либо величина проинтегрированной эдс (при изменяющемся поле). Обе эти величины пропорциональны значению магнитной индукции или напряжённости измеряемого поля. Такой метод измерения поля также достаточно чувствителен (разрешение до 10 –10 Тл) и не имеет ограничения сверху по диапазону измеряемых полей, однако характеризуется низкой устойчивостью к помехам с высоким уровнем собственных шумов и поэтому в настоящее время широко не используется.
Одной из разновидностей индукционного метода является метод баллистического гальванометра, широко применявшийся ранее для измерения намагниченности, магнитного потока и величины индукции или напряжённости магнитного поля. В данном методе баллистический гальванометр служит устройством, интегрирующим возникающую в катушке эдс, а отклонение зеркала гальванометра пропорционально магнитному потоку через катушку (использовались и другие интегрирующие элементы, в частности фотоэлектрические и магнитоэлектрические). В настоящее время в устройствах для измерения потока (веберметрах или флюксметрах) применяется интегрирование с помощью электронных схем.
Феррозондовый датчик в простейшем случае представляет собой две катушки индуктивности, намотанные на сердечник из магнитомягкого материала в форме стержня. На одну из катушек (катушку возбуждения) подаётся синусоидальный переменный ток , а со второй (измерительная катушка) снимается сигнал. Поскольку зависимость магнитной проницаемости от поля носит нелинейный характер, сердечник представляет собой нелинейный элемент, и сигнал с измерительной катушки содержит высшие гармоники частоты возбуждающего сигнала. При помещении феррозонда в магнитное поле проницаемость сердечника изменяется, что приводит к изменению амплитуд высших гармоник, по величине которых можно определить напряжённость поля (измеряются амплитуды чётных гармоник). Феррозондовые магнитометры характеризуются достаточно высоким разрешением – до 10 –10 Тл, а также быстродействием (постоянная времени порядка 10 –3 с), но применяются для измерения небольших полей (10 –7 –10 –4 Тл).
Ранее для измерения магнитных полей широко применялись магнитомеханические датчики, чувствительным элементом в которых служит подвижный постоянный магнит в виде магнитной стрелки или рамка с током (электродинамический метод), крепящиеся на подвесе. Величина индукции магнитного поля определялась либо по углу поворота чувствительного элемента относительно первоначального положения при внесении его в точку измерения (пассивные датчики), либо по частоте его колебаний в поле (активные датчики). Магнитомеханические датчики характеризуются высоким разрешением (до 10 –10 Тл), но низким быстродействием (порядка 1 с), поэтому пригодны для измерения лишь постоянных или очень медленно изменяющихся магнитных полей.
Измерение магнитных характеристик вещества
Для определения температурных и полевых зависимостей намагниченности (изотерм намагниченности), петель гистерезиса , а также магнитной проницаемости и восприимчивости вещества используются методы, которые можно разделить на две основные группы – индукционные и пондеромоторные . Индукционные методы, также как и в случае измерений индукции магнитного поля, основаны на законе электромагнитной индукции Фарадея, а пондеромоторные – на измерении силы взаимодействия образца с магнитным полем. Устройства, измеряющие намагниченность, магнитный момент, а также магнитные восприимчивость и проницаемость в статических и изменяющихся магнитных полях, принято называть магнитометрами, а устройства, измеряющие петлю гистерезиса магнитотвёрдых материалов – гистерезисграфами. К устройствам, использующим индукционный метод измерения, относятся индукционный, экстракционный, вибрационный и вращательный магнитометры, гистерезисграфы, а к устройствам, работа которых основана на пондеромоторных методах – различного рода магнитные весы (рычажные, маятниковые, крутильные и др.). Индукционный метод измерения применяется также для определения динамической магнитной восприимчивости (проницаемости).
Индукционный магнитометр представляет собой устройство, позволяющее измерять полевые и температурные зависимости намагниченности (магнитного момента) вещества. Образец в данном устройстве помещается в измерительный узел, состоящий из двух идентичных катушек (образец располагается в одной из катушек), включённых навстречу друг другу. Катушки помещаются в источник магнитного поля, изменение которого наводит в них сигнал, пропорциональный намагниченности образца (сигналы, пропорциональные полю, взаимно уничтожаются благодаря встречному включению катушек). Величина поля измеряется отдельной катушкой. Измерения проводятся при стабилизированных значениях температуры в заданном интервале температур. В результате получаются изотермы намагниченности, по которым можно построить и температурные зависимости намагниченности в постоянном поле. Чувствительность индукционных магнитометров составляет порядка 10 –4 –10 –5 эрг/Гс. Устройства не позволяют проводить измерения намагниченности в постоянном поле, т. к. сигнал в измерительных катушках наводится изменяющимся полем. Индукционный магнитометр используется для проведения измерений в широком интервале полей – до 2 Тл в источниках поля на основе электромагнитов или постоянных магнитов и до десятков Тл в импульсных соленоидах .
В экстракционном магнитометре поток магнитного поля через измерительную катушку изменяется в результате механического извлечения из неё исследуемого намагниченного образца. Образец намагничивается внешним источником постоянного поля, в качестве которого используется электромагнит или сверхпроводящий соленоид . Чувствительность метода аналогична чувствительности рассмотренного выше индукционного магнитометра. Гораздо большей чувствительностью (до 10 –7 –10 –8 эрг/Гс) характеризуется разновидность экстракционного магнитометра, в которой поле в измерительной катушке определяется СКВИД-датчиком. Экстракционные магнитометры также не позволяют проводить измерения, в которых образец находится в постоянном поле. Кроме того, существуют магнитометры, в которых СКВИД-датчик используется для определения пространственной картины поля, создаваемого исследуемым образцом.
Вибрационный магнитометр является наиболее распространённым устройством для измерения температурных и полевых зависимостей намагниченности (магнитного момента) материалов. Образец, намагниченный внешним источником поля (электромагнит, сверхпроводящий соленоид, постоянный магнит), приводится в вибрационном магнитометре в периодическое (вибрационное) движение, создавая вокруг себя переменное поле, фиксируемое измерительной катушкой, находящейся рядом с образцом. Сигнал с катушки выделяется селективным усилителем или фазовым детектором, что обеспечивает высокую чувствительность устройства – до 10 –7 эрг/Гс. Вибрационный магнитометр позволяет проводить измерения, при которых образец находится в постоянном поле.
Во вращательном магнитометре намагниченный внешним источником поля образец приводится во вращательное движение, создавая вокруг себя переменное электромагнитное поле, фиксируемое измерительной катушкой, расположенной рядом с образцом. Измерительный тракт вращательного магнитометра аналогичен используемому в вибрационном магнитометре, что обеспечивает устройству примерно такую же чувствительность. Измерения, также как и в вибрационном магнитометре, проводятся в постоянном магнитном поле. Если исследуемый образец представляет собой монокристалл , то по изменённому сигналу можно определить константы магнитной анизотропии. Обычно эти константы измеряют в устройствах, называемых магнитными анизометрами . В анизометре исследуемый монокристалл помещается на шток, соединённый с датчиком, определяющим момент вращения, который действует на образец во внешнем магнитом поле, направленном в плоскости, содержащей ось лёгкого намагничивания образца. Вращая поле путём поворота источника, получают зависимости момента вращения от направления поля, по которым определяют константы магнитной анизотропии.
Гистерезисграф предназначен для измерения кривых намагничивания и размагничивания – зависимостей намагниченности (или магнитной индукции) от магнитного поля, петель магнитного гистерезиса магнитотвёрдых материалов в замкнутой магнитной цепи . Источником поля в установке служит электромагнит с медленно изменяющимся (квазистатическим) полем, в зазоре которого полюсами зажимается исследуемый образец с надетой на него измерительной катушкой. В ходе измерения одновременно записывается сигнал с измерительной катушки, который пропорционален намагниченности (или магнитной индукции), и сигнал, пропорциональный полю; данные выводятся в графическом представлении. При получении петли магнитного гистерезиса и кривой начального намагничивания используется размагниченный образец, а при получении кривой размагничивания – намагниченный образец.
Динамическая магнитная восприимчивость (проницаемость) измеряется индукционным методом по схеме, аналогичной индукционному магнитометру, описанному выше, но в данном случае источник поля в виде соленоида создаёт переменное электромагнитное поле малой интенсивности (до нескольких эрстед). Синхронное детектирование сигнала с измерительной катушки позволяет определить действительную и мнимую части восприимчивости. Температурные зависимости динамической магнитной восприимчивости используются для определения температур магнитных фазовых переходов , при которых динамическая восприимчивость имеет особенности. Для определения комплексной восприимчивости (проницаемости) и тангенса угла потерь материала используются также мостовые схемы переменного тока, в которых катушка с исследуемым образцом включается в одно из плеч моста.
Измерения в переменном поле с использованием индукционного метода применяют также для исследования характеристик магнитомягких материалов – определения потерь в образце (ваттметрический метод, при котором измеряется мощность, поглощаемая в катушке с образцом) и динамических петель гистерезиса. Последние снимаются с помощью феррографа, в котором возбуждающий сигнал подаётся в первичную катушку, создающую поле в замкнутом образце, а сигнал, пропорциональный намагниченности, снимается со вторичной обмотки, также находящейся на образце; петлю гистерезиса при этом можно наблюдать на осциллографе. Возможны измерения и на разомкнутом образце (стержне) в устройстве, называемом пермеаметром, содержащем раму из магнитомягкого материала, замыкающую магнитную цепь. Потери в магнитных материалах на высоких частотах определяют также калориметрическим методом, в котором выделяющаяся в исследуемом образце при перемагничивании в переменном электромагнитом поле теплота измеряется в калориметре.
Основными пондеромоторными методами, позволяющими измерять магнитную восприимчивость в постоянном поле, являются разновидности метода рычажных магнитных весов – метод Фарадея и метод Гюи. В обоих методах измеряется сила, действующая на образец, помещённый в магнитное поле. В методе Фарадея в градиентное магнитное поле помещается образец малого размера (с постоянным градиентом на длине образца), так что сила, действующая на образец, пропорциональна восприимчивости и массе образца, а также величине магнитного поля и его градиента. В методе Гюи в источник поля помещается длинный образец, так что сила, действующая на него, прямо пропорциональна восприимчивости и массе образца, а также квадрату магнитного поля. Чувствительность методов Фарадея и Гюи по магнитной восприимчивости не хуже 10 –7 .
Использование магнитооптических методов, основанных на безынерционных магнитооптических эффектах ( магнитооптическом эффекте Керра , эффекте Фарадея ), позволяют визуально наблюдать доменную структуру тонких магнитных плёнок (с помощью магнитополярископов), измерять диаметр цилиндрических магнитных доменов , подвижность и коэрцитивность доменных стенок , намагниченность насыщения (с помощью магнитополяриметров), регистрировать кривые намагничивания и петли магнитного гистерезиса (с помощью магнитополярографов) и др.
Изучение магнитной атомной структуры
Для определения магнитной структуры вещества используют методы магнитной нейтронографии и магнитной мёссбауэрографии , а также синхротронное излучение .
Метод нейтронографии основан на том, что нейтроны , с одной стороны, не имеют электрического заряда , а с другой – обладают магнитным моментом. Это позволяет им проходить через кристаллическую решётку вещества, слабо взаимодействуя с ионами решётки, но при этом интенсивно взаимодействовать с их магнитными моментами. В результате на нейтронограмме, представляющей собой аналог рентгенограммы , получаемой при исследовании кристаллической структуры с помощью дифракции рентгеновских лучей , проявляются т. н. магнитные рефлексы, связанные с рассеянием нейтронов на магнитной подрешётке , по которым можно восстановить пространственную магнитную структуру вещества и определить величину магнитных моментов ионов.
Синхротронное излучение рентгеновского диапазона характеризуется высокой интенсивностью и может вызывать резонансные переходы в электронной оболочке атома со спектром поглощения, позволяющим получить информацию о магнитном состоянии атома и магнитной структуре вещества. Аналогичную информацию даёт магнитная мёссбауэрография, основанная на изучении эффекта Мёссбауэра в магнитных материалах. В ряде случаев для уточнения магнитной атомной структуры используют ферро- и антиферромагнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс , ядерный магнитный резонанс .
Опубликовано 8 декабря 2022 г. в 20:02 (GMT+3). Последнее обновление 8 декабря 2022 г. в 20:02 (GMT+3). Связаться с редакцией