Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №2
Шрифт:
Теперь об измерениях компонент магнитного поля. Все знают, что стрелка компаса показывает на север. Это происходит потому, что компас сконструирован так, чтобы чувствовать именно горизонтальную компоненту поля Земли. Чтобы убедиться с помощью обычного компаса в существовании вертикальной составляющей магнитного поля Земли в качестве объекта наблюдения можно использовать обычную батарею центрального отопления. Так как у магнитного поля Земли есть вертикальная составляющая, то у намагниченной батареи возникают как бы два полюса магнита — сверху и снизу: где-нибудь в середине батареи поднесите обычный компас к верхнему краю батареи, а затем и к нижнему — в зависимости от того, к какому краю вы поднесли компас, стрелка компаса отклонится по-разному.
В принципе, подвесив магнитную стрелку на вертикальной упругой нити, можно реализовать магнитные крутильные весы, и, таким образом, измерять как направление (режим компаса), так и величину горизонтальной компоненты магнитного поля Земли. Простейший
Вообще для измерения малых полей и их вариаций введена новая единица, которая называется гамма: 1 гамма = 10– 9 Тл = 1 нанотесла. Эту величину следует сравнить с величиной вариации МПЗ при магнитной буре: средняя магнитная буря — 100 гамм, сильная — до 500 гамм. Магнитные бури вызваны возмущением токов, протекающих в ионосфере потоками солнечного ветра.
Магнетометры другого типа:
• протонный прецессионный магнитометр — основан на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР), чувствительность порядка — 1 гамма (например, ММП-203),
• квантовые оптические магнитометры — основаны на смещении атомных энергетических уровней в магнитном поле (например, ММП-303), чувствительность порядка 10– 12 Тл (0,001 гамма),
• сверхпроводниковые квантовые магнитометры СКВИДы, чувствительность порядка 10– 12– 10– 13 Тл (10– 4 гамма),
• феррозондовые магнитометры, чувствительность порядка 10– 10 Тл (0,1 гамма).
Феррозонд — наиболее простой магнитометр и его можно сделать самому. Именно, благодаря исключительной простоте легкости и надежности, такие магнитометры используются на самолетах в качестве магнитных компасов, а на космических зондах для измерения межпланетного магнитного поля и собственных магнитных полей планет.
Простейший феррозонд представляет собой относительно длинный и тонкий (например, 50х0.5 мм) сердечник из ферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью (например, отожженной проволоки из пермаллоя 79 НМ или аморфного железа). Пермаллоевый сердечник обычно отжигается в трубочке из кварцевого стекла, которая в дальнейшем служит каркасом для обмоток и предохраняет пермаллоевую проволочку от механических напряжений. Сердечник из неотожженного аморфного железа имеет несколько меньшую магнитную проницаемость, чем пермаллой, зато не боится механических напряжений. Этот сердечник является магнитопроводом насыщающегося трансформатора, имеющего две обмотки. Одна из них намотана по всей длине сердечника за исключением небольшого участка посредине и является обмоткой возбуждения. Вторая — намотана на среднем участке, свободном от первой обмотки, и является обмоткой считывания. Число витков — несколько сотен. Если на обмотку возбуждения подать переменный ток звуковой частоты (порядка нескольких килогерц) такой амплитуды, чтобы происходило сильное насыщение магнитного сердечника, то на вторичной обмотке возникнут относительно короткие симметричные разнополярные импульсы напряжения в момент прохождения намагничивающего поля через нуль. Если внешнее постоянное (измеряемое) намагничивающее поле равно нулю, то последовательность импульсом разделена одинаковыми интервалами и в частотном спектре этой последовательности присутствуют только нечетные гармоники частоты возбуждения. Подмагничивающее измеряемое поле смещает рабочую точку на петле намагничивания сердечника так, что на одном полупериоде поля возбуждения намагничивание ускоряется, а на другом замедляется. В результате вместо равномерной последовательности разнополярных импульсов получается "хромая" последовательность, в которой временной интервал от положительного до отрицательного импульса не равен интервалу от отрицательного до положительного импульса. Однако, разумеется, интервал между положительными импульсами равен интервалу между отрицательными и, естественно, точно равен периоду сигнала возбуждения. "Хромота" последовательности приводит к тому, что в спектре сигнала считывания появляются четные гармоники сигнала возбуждения, и амплитуда этих гармоник пропорциональна напряженности внешнего (измеряемого) подмагничивающего поля. Обычно в приборах используют
Итак, простейший (но довольно чувствительный) феррозондовый магнитометр состоит из:
• насыщающегося трансформатора на линейном пермаллоевом сердечнике с большим удлинением,
• генератора сигнала возбуждения,
• селективного усилителя второй гармоники,
• фазового (синхронного) детектора, если Вы хотите определять еще и ЗНАК компоненты магнитного поля, параллельной зонду.
В качестве генератора сигнала возбуждения можно использовать школьный генератор звуковой частоты. В качестве селективного усилителя и индикатора — селективный вольтметр, который должен быть настроен точно на вторую гармонику сигнала возбуждения. Чувствительность Вашего магнитометра будет определяться качеством изготовления феррозонда (насыщающегося трансформатора) и стабильностью настройки генератора и селективного вольтметра. Дрейф нуля Вашего магнитометра будет зависеть от этих же параметров.
Воробьев П.В.
• ВОПРОС № 89: Как работает электрофорная машина?
ОТВЕТ: Первой индукционной машиной был «электрофор», открытый А.Вольта в 1775 г. и объясненный И.К.Вильке в 1777 г. Индукционные (или электростатические) машины представляют собой источники малых токов (редко больше чем 10– 5 А) и высокого напряжения (часто свыше 105 В).
Носители электричества (рис. 1) попарно заряжаются путем электростатической индукции, а расстояние между ними увеличивают путем их механического перемещения.
Этап I дает нам картину зарядки носителей в процессе индукции, а этапы II и III изображают разделение зарядов и их перенос к электродам К и А. Периодическое повторение этих процессов технически проще всего осуществить при помощи вращения. Носители электричества ? и ? укреплены на изолирующем вращающемся стержне. Небольшие черные треугольники изображают скользящие контакты, соединяющие эти носители с электродами К и А. Первоначальное поле между ? и ? создается присоединением этих пластин на короткое время к полюсам батареи. При вращении со скоростью в 10 оборотов в секунду такая машина может дать ток около 10– 8 А. При исчезновении поля между ? и ? этот ток прекращается. Для этого достаточно коснуться пальцами пластин ? и ? и тем установить между ними проводящее соединение.
Индукционные машины, предназначенные для практического применения, имеют еще одно добавочное устройство, которое доводит заряд на пластинах ? и ? до очень высокого значения и обеспечивает его сохранение, несмотря на неизбежные потери вследствие плохой изоляции. Для осуществления такого добавочного устройства были предложены два процесса.
В первом, так называемом, мультипликаторном процессе заряды, полученные путем индукции, не полностью отводят к месту потребления, а сохраняют часть их на носителях ? и ? и этот остаток переносят при помощи ящиков Фарадея F1 и F2 на пластины поля ? и ? (на рис. 2 обратите внимание на знаки!). Этим усиливается поле, которое участвует в следующем процессе индукции.
При переходе к вращающимся машинам уменьшают ящики Фарадея до размеров двух кусков жести, которые охватывают носители только снаружи. Кроме того, при этом соединяют скользящие контакты или электроды не с гальванометром, а со статическим вольтметром, т. е. с конденсатором.
Вследствие этого носители ? и ?, проходя у электродов К и А, не отдают им весь свой заряд, а сохраняют часть его для передачи в ящики Фарадея F1 и F2. На рис. 3 изображена модель, работающая точно по этой схеме.