Как измерить магнитное поле

Как измерить магнитное поле

Когда я был ребенком, у нас были такие вещи, как компасы. Это просто магнитная игла внутри корпуса, которая может свободно вращаться. Поскольку магнитное поле может создавать крутящий момент на другом магните, эта игла будет выровнена в направлении чистого магнитного поля. Для чего используется компас? Ну, так уж получилось, что Земля создает магнитное поле, которое в основном постоянно в данном месте. Компас может быть использован для определения направления. Вот классная часть, компас даже работает под водой (попробуйте это с вашим телефоном — на самом деле, вы, вероятно, не должны). Более подробную информацию можно найти на сайте meanders.ru в статье на тему как измерить магнитное поле https://meanders.ru/istochniki-magnitnyh-polej-dvizhushhijsja-zarjad.shtml

Компас не дает вам значение чистого магнитного поля, только направление. Итак, как вы можете получить величину определенного поля из этого? Хитрость заключается в том, чтобы принять значение магнитного поля Земли и направление компаса. Предположим, что в этом месте на Земле магнитное поле направлено прямо на север с горизонтальной составляющей около 2 х 10 ^-5 Тл.

Теперь предположим, что я делаю что-то, чтобы создать магнитное поле в известном направлении и перпендикулярно горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Вот пример, где я поместил токопроводящий провод прямо над стрелкой компаса. Поскольку компас находится под проводом, магнитное поле из-за провода будет на 90 ° к магнитному полю Земли.

Теперь, когда в проводе есть ток, стрелка компаса будет отклоняться в направлении чистого магнитного поля.

Если вы точно знаете, что два магнитных поля перпендикулярны, то на основании полученного прямоугольного треугольника вы можете сказать следующее:

Если вы не знаете направление магнитного поля, которое вы пытаетесь измерить, этот метод не сработает. Кроме того, если магнитное поле очень мало или очень велико по сравнению с горизонтальной составляющей Земли, вы не получите очень точный результат.

Можете ли вы использовать этот компас так же, как настоящий компас? Да. Однако в моем простом тесте я обнаружил, что цифровой компас iPhone не очень хорошо реагирует на изменения в магнитных полях.

Здесь отображаются компоненты магнитного поля x, y и z. Но как это работает? Ответ в том, что в телефоне есть датчик Холла (ну, на самом деле, три). Что такое эффект Холла? Хорошо, давайте сделаем это. В этом есть много деталей, и я не хочу начинать с нуля. Вот вещи, с которых я хотел бы начать (но каждый элемент мог бы быть целым сообщением в блоге).

• Когда есть электрический ток, есть электрический заряд, движущийся с некоторой средней скоростью через материал. Во многих материалах эти движущиеся заряды являются электронами (но это действительно не имеет значения).
• Электрический заряд в присутствии электрического поля испытывает силу, величина которой равна произведению электрического заряда и электрического поля.
• Движущийся электрический заряд также испытывает силу, когда находится в магнитном поле (он должен двигаться). Эта сила зависит от магнитного поля, заряда и скорости. Направление этой силы перпендикулярно как магнитному полю, так и вектору скорости электрического заряда.
• Если в каком-то регионе у вас есть электрическое поле, это приведет к изменению электрического потенциала между двумя точками.

Может быть, я должен включить пару уравнений. Во-первых, две силы на электрический заряд можно записать как силу Лоренца.

Да, это перекрестное произведение магнитной части силы. Кроме того, если у вас есть электрическое поле, изменение электрического потенциала между двумя точками будет:

Если электрическое поле является постоянным как по направлению, так и по величине, то величина изменения электрического потенциала будет просто E * s .

Теперь мы готовы к датчику Холла. Вот маленький кусочек материала с током в нем и помещенный в магнитное поле. Поле будет направлено на экран. Самый простой способ показать этот тип вектора — представить его как «X». Думайте о «Х» как о конце стрелки (перья). Позвольте мне просто показать один движущийся электрон в этом материале.

Поскольку ток направлен вверх, скорость электрона будет уменьшаться (отрицательный заряд). Тем не менее, произведение q и v будет вверх, так как заряд является отрицательным. Магнитная сила на этом заряде будет слева. Обратите внимание, что эта сила перпендикулярна как скорости, так и магнитному полю.

Что эта магнитная сила делает с этим движущимся электроном в течении? Понятно, что он не будет двигаться по прямой вдоль направления течения. Вместо этого электрон изогнется влево. Если все эти электроны в потоке искривляются влево, в конечном итоге на левой стороне этого материала будут избыточные отрицательные заряды. 
Поскольку материал имеет общий нейтральный заряд, на правой поверхности также должны быть положительные заряды.

В конце концов, материал будет выглядеть следующим образом (я собираюсь нарисовать только один вектор магнитного поля)

Эта картина немного сложнее, чем я хотел, но вот ключевые моменты:

• Поверхностный заряд накапливается на стороне из-за магнитной силы на движущихся носителях.
• Этот поверхностный электрический заряд создает электрическое поле.
• Электрическое поле (из-за зарядов на боковой поверхности — также есть электрическое поле, которое вызывает ток) оказывает силу на движущиеся заряды.
• Заряды боковых поверхностей будут накапливаться до тех пор, пока не возникнет боковая электрическая сила, которая нейтрализует магнитную силу, и электроны снова сместятся в направлении проволоки.
• Это электрическое поле также означает, что в материале происходит изменение электрического потенциала (который мы можем измерить).

Если вы знаете размер материала и скорость электронов (технически называемая скоростью дрейфа), то я могу установить магнитную силу, равную поперечной электрической силе.

Изменение электрического потенциала (через сторону материала) может быть измерено с помощью вольтметра. Если поперечное электрическое поле постоянно, то:

И это дает вам магнитное поле. Конечно, вам все еще нужна скорость дрейфа электронов, но вы можете получить ее, если знаете тип материала и значение электрического тока. Как насчет обзора?

• Положите материал в магнитное поле.
• Проведите ток через этот материал.
• Магнитное поле создаст «боковое» изменение электрического потенциала материала — которое вы можете измерить.
• Используя это изменение потенциала и размера материала, вы получите величину магнитного поля.

Но ждать! Вы не получаете магнитное поле. Вы получаете компонент магнитного поля, перпендикулярный датчику. В iPhone (я уверен) есть три датчика, так что вы можете получить все три компонента магнитного поля Земли и таким образом определить направление магнитного поля.

Есть, конечно, другие методы измерения магнитного поля, но это два варианта, к которым у вас, вероятно, есть легкий доступ. Я покажу, как вы можете использовать эти методы, чтобы посмотреть на силу различных магнитов, но в следующем посте.