Если измерительная катушка предназначена для измерения маг нитной индукции в образце, то витки ее должны охватывать образец и плотно прилегать к его поверхности.
Приизмерении напряженности магнитного поля на поверхности образца измерительная катушка должна быть плоской и плотно при легать к поверхности образца. Такие катушки называют иногда ка тушками поля.
При проведении измерений в однородных магнитных полях из мерительные катушки могут быть большого размера (в слабых полях с большим числом витков).
При измерениях в неоднородных магнитных полях необходимо использование измерительных катушек минимальных размеров для обеспечения определения характеристик поля в данной точке.
Основной характеристикой измерительной катушки является произведение числа витков и площади витка — (WS)UK, Т . е. сумма площадей всех витков. Это произведение называют постоянной из мерительной катушки.
Разновидностью измерительных катушек являются магнитные потенциалометры, служащие для определения разности магнитных потенциалов. Приме няют потенциалометры при исследовании готовых электромагнитных механиз мов и постоянных магнитов.
Потенциалометр устроен следующим образом. На плоский каркас из изо ляционного материала строго равномерно наносится обмотка. Сечение катушки должно быть малым и одинаковым по всей длине. Каркас может быть жестким— жесткий пли прямолинейный потепциалометр, и гибким — гибкий потенциало метр (пояс Роговского). Чем ближе к концам каркаса витки обмотки, тем точнее измерение. Поэтому начало обмотки и ее конец располагают в середине каркаса, а для укрепления витков обмотки на концах каркаса наклеивают тонкие изоля ционные пластины (например, из слюды).
Если потепцпалометр поместить в |
неоднородное |
магнитное поле, то поток |
-ф, сцепляющийся с его витками, можно |
представить |
так: |
?\
аа
где Іаь — длппа потенциалометра; Ві — проекция вектора магнитной пндукцпи
на направление dl; |
к = і ^ — |
постоянная потенциалометра; шк —число витков; |
|
|
lab |
|
|
|
s — площадь витка; |
и 0 |
— магнитная |
постоянная. |
Разность магнитных потенциалов |
между точками a a b |
|
|
|
|
|
ъ |
|
|
|
Uab |
= |
\lHldl. |
|
|
|
|
|
à |
Следовательно, |
с |
помощью |
потенциалометра можно определить £/„&. Д л я |
этого помещают концы потенциалометра в точках а и Ъ, измеряют с помощью
баллистического гальванометра пли веберметра потокосцепление |
и подсчи |
тывают иаь'. |
|
Явление электромагнитной индукции можно использовать для измерения характеристики переменных и постоянных магнитных полей.
Рис. 190. Схема измерения магнитного
потока с помощью баллистического
гальванометра
К2
К1
При измерении характеристик переменных магнитных полей в зависимости от способа измерения индуктированной з. д. с. могут быть изморены мгновен ные, или амплитудные, значения этих характеристик, либо амплитуды первых гармоник.
При измерении характеристик постоянного во времени магнит ного поля необходимо изменить поток, сцепляющийся с витками измерительной катушки. Осуществить изменение потокосцепления можно одним из следующих способов — выдернуть измерительную катушку из поля (либо поверпуть ее на 180°), вращать из мерительную катушку в изме ряемом поле с постоянной ско ростью (подобные устройства иногда называют измерительными генераторами), качать из мерительную катушку относи-
тѳльно ее среднего положения, Остановимся более подробно на измерении характеристик по
стоянного магнитного поля при использовании первого из способов — изменения потокосцепления измерительной катушки. При изменении потокосцепления в изме рительной катушке возникает э. д. с.
|
&ф |
|
е — |
dtг-. |
|
Иначе это можно записать так: |
|
|
со |
со |
|
Дф = $ edt |
= \irdt, |
(158) |
оÜ
где г — сопротивление цепи измерительной катушки.
Заметим, что при выдергивании измерительной катушки из поля Дѵ^ = rj), а при ее повороте на 180° Агр == і|з — (—гр) = 2rjj.
Из выражения (158) видно, что для измерения потокосцепления измерительной катушки необходимы приборы, осуществляющие инте грирование импульса э. д. с. или импульса тока.
При измерении малых потокосцеплений эти импульсы весьма малы, вследствие чего должны быть применены высокочувствитель ные интегрирующие устройства.
В качестве интегрирующих устройств в магнитных измерениях
используют баллистический гальванометр, |
магнитоэлектрический |
веберметр, фотоэлектрический веберметр и др. |
, |
Устройство и теория баллистического гальванометра описаны в § 16 и 21. На рис. 190 приведена принципиальная схема использо вания баллистического гальванометра для измерения магнитного потока. Обозначения на схеме рис. 190: ИК — измерительная ка тушка, витки которой сцепляются с измеряемым магнитным потоком Фж ; БГ — баллистический гальванометр; M — катушка взаимной индуктивности; А — амперметр.
Если изменить поток, сцепленный с витками wK |
измерительной |
катушки ИК, например, от Ф ж до 0, то па зажимах |
измерительной |
катушки возникает э. д. с. ех, которая будет уравновешена активным и реактивным падением напряжения в цени баллистического гальва нометра; при атом первый наибольший отброс подвижной части гальванометра будет а 1 т о :
где ш к — число витков измерительной катушки; і — ток в |
цепи; |
/• — сопротивление цепи гальванометра (сумма сопротивления |
рамки |
гальванометра и сопротивления внешней цепи); L — индуктивность цепи.
Интегрируя левую и правую части выражения (159) в пределах времени изменения потокосцепления и учитывая, что в момент начала
и окончания |
изменения потокосцепления ток равен нулю, получим |
|
|
ы?„ АФЖ = |
Or, |
|
|
|
|
где АФЖ — изменение потока |
за указанное |
время |
(в нашем случае |
ДФж = Фх); |
Q — количество |
электричества, |
прошедшего |
в |
цепи. |
Так как alm |
— S^Q, то Q =- Сцаіт, |
где С% — баллистическая по |
стоянная гальванометра в кулонах на деление; а1т |
— первый |
наи |
больший отброс ПОДВИЖНОЙ части гальванометра. |
|
|
|
Окончательно получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ьфх = ^ . а і т |
= ^ а 1 т |
, |
|
|
(160) |
где Сф = С6г |
|
—, постоянная |
баллистического |
гальванометра |
по маг |
нитному потоку в веберах на деление. |
|
|
|
|
Из выражения (160) видно, что постоянная баллистического |
галь |
ванометра Сф зависит от сопротивления цепи, поэтому определять ее необходимо при том сопротивлении цепи, при котором произво дится измерение магнитного потока. Кроме того, так как точность интегрирования импульса зависит от его длительности, изменение потока должно происходить достаточно быстро, чтобы продолжи тельность импульса была в 20—30 раз меньше периода колебаний подвижной части гальванометра.
Для определения постоянной баллистического гальванометра по магнитному потоку используют меру магнитного потока в виде двухобмоточной катушки с известной взаимной индуктивностью.
При изменении тока в первичной обмотке катушки взаимной ин дуктивности на некоторую величину А/ во вторичной ее обмотке, присоединенной к баллистическому гальванометру (см. рис. 190), произойдет изменение магнитного потока:
АФ = М А / ,
где M — коэффициент взаимной индуктивности катушки.
Это изменение потока АФ вызовет отброс подвижной части балли стического гальванометра ß 1 ) n .
Отсюда интересующая нас постоянная баллистического гальвано метра по магнитному потоку будет
г ММ |
„г. |
Сф = -5 |
•, Во/дел. |
Баллистический гальванометр в рассмотренной схеме можно за менить веберметром.
В магнитоэлектрическом веберметре используется измерительный механизм магнитоэлектрической системы с противодействующим моментом, близким к пулю, и большим моментом электромагнитного торможения (рамка веберметра замкнута на измерительную катушку, имеющую обычно малое сопротивление).
Уравнение движения подвижной части веберметра можно запи сать в следующем виде:
г (Ра , г, da г,
J-w+p*it=Bsm-
Ток і определяется э. д. с , которая возникает в цепи веберметра при изменении потока, сцепляющегося с витками измерительной ка тушки, подключенной к зажимам веберметра. Эта э. д. с. опреде ляется выражением (159):
J d t * + P > d t - - T - > e * - L c n } -
Интегрируя это выражение за время движения подвижной |
части |
(от 0 до t) и учитывая, что в моменты времени 0 и t подвижная |
часть |
находится в состоянии покоя, |
получаем |
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
г , |
. |
Bsw |
t' |
Bsw . |
|
|
|
Ръ |
Да = —р- J edt = -у- АФхіѵк. |
|
|
|
|
|
|
h |
|
для Р2, |
Принимая |
во внимание полученное в § 21 выражение |
окончательно |
получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
где Сф — постоянная |
|
веберметра, |
обычно выражаемая в веберах на |
деление. |
|
|
|
|
|
|
|
Показания |
веберметра не зависят от времени изменения |
магнит |
ного потока (как это имело место в баллистическом |
гальванометре) |
и в некоторых пределах не зависит от сопротивления |
внешней цепи |
(если оно достаточно мало). Так как противодействующий момент при
бора равен |
нулю, то его указатель |
может |
занимать |
произвольное |
положение. При определении магнитного потока АФХ |
берут разность |
показаний |
прибора Да = ос, — aL, |
где а 2 |
— конечное показание, |
<%! — начальное показание. |
|
|
|
Для установления указателя на нулевую либо другую удобную
отметку шкалы (например, ею иногда |
может быть |
средняя отметка) |
в приборе используют электрический |
корректор. |
Он представляет |
собой катушку, расположенную в ноле постоянного магнита. Если соединить эту катушку с рамкой веберметра и изменить поток, сцеп ляющийся с витками катушки (путем поворота катушки или магнита), то рамка веберметра отклонится; регулируя положение катушки или магнита, устанавливают указатель прибора в нужное положение.
Баллистический гальванометр превосходит магнитоэлектрический веберметр по чувствительности и позволяет измерять магнитные ве личины с большей точностью, но является прибором неградуированным и требует определения постоянной по магнитному потоку Сф в каждом конкретном случае.
Веберметр является переносным прибором, шкала его отградуи рована в единицах магнитного потока, он прост и удобен в работе,
его показания в довольно ши |
|
роких пределах не зависят от |
|
сопротивления цепи и времени |
|
изменения |
потокосцепления. |
|
Основными недостатками его |
|
являются |
относительно низкая |
|
чувствительность |
и |
малая точ |
|
ность. |
|
|
|
|
В значительной |
мере лишен |
|
этих |
недостатков |
фотоэлектри |
|
ческий веберметр |
(ФЭВ). |
Рис. 191. Принципиальная схема фото |
Упрощенная |
принципиаль |
электрического веберметра |
ная |
схема |
ФЭВ, |
|
поясняющая |
|
принцип его действия, приведена на рис. 191. Одним из основ ных элементов ФЭВ является фотогальванометрический усилитель (см. § 33).
Работает схема следующим образом. Разность'э. д. с. ех, возни кающей на зажимах измерительной катушки ИК при изменении пото косцепления, и э."д. с. е0 .с обратной связи создает ток і, протекающий через обмотку рамки гальванометра Г с миниатюрным зеркальцем на подвижной части. Отклонение подвижной части гальванометра под действием тока і вызывает перемещение светового пятна по после довательно включенным фотосопротивлениям ФС1 и ФС2, в резуль
тате чего на входе усилителя У появится сигнал и |
выходной |
ток / |
усилителя скомпенсирует ех через отрицательную |
обратную |
связь |
при помощи катушки взаимной индуктивности M. |
Считая в первом |
приближении ех я « еос (предполагаем, что применен гальванометр высокой чувствительности к напряжению, и не учитываем э. д. с , индуктированную в рамке гальванометра при ее движении), получим
dt ••M dt '
т. е. по току / можно судить о потоке Фх.
Ток / можно измерить магнитоэлектрическим прибором, а при необходимости записать самопишущим прибором или осциллографом. Теоретические и экспериментальные исследования компенсационного фотоэлектрического веберметра подтверждают зависимость тока /
