Перекласти одиниці: ампер-виток на метр [ампер-виток / м] <-> кілоампер на метр [кА / м] • магнітостатики, магнетизм і електродинаміка • Конвертер напруженості магнітного поля • Компактний калькулятор

1. Загальні відомості
2. Історична довідка
3. Напруженість магнітного поля. визначення
4. Напруженість магнітного поля. фізика явищ
5. Застосування напруженості магнітного поля в техніці
6. магнітометри
7. Металодетектори
8. Ефект Холла и пристрої на его основе
9. Застосування вимірювання напруженості магнітного поля в медицині
10. Візуалізація напруженості магнітного поля

1 ампер-виток на метр [ампер-виток / м] = 0,001 кілоампер на метр [кА / м]

Тирса в магнітному полі кубічних магнітів

Загальні відомості

Магнітна плівка-визуализатор дозволяє «заглянути всередину» потужного неодимового магніту

Напруженість магнітного поля і магнітна індукція. Здавалося б, навіщо було фізикам ускладнювати і без того складні фізичні поняття при описі явищ магнетизму? Два вектора, однаково спрямовані, що відрізняються хіба що коефіцієнтом пропорційності - ну який в цьому сенс з точки зору простої людини, не дуже обтяженого знаннями з галузі сучасної фізики?

Проте, саме в цьому відмінності ховаються нюанси, які дозволяли вченим відкрити і дивовижні властивості різних речовин, і закони їх взаємодії з магнітним полем, і навіть змінити наші уявлення про навколишній світ.

Насправді за цією різницею ховається різний методологічний підхід. Спрощено кажучи, в разі використання поняття напруженості магнітного поля ми нехтуємо впливом магнітного поля на речовину в конкретному випадку; в разі застосування поняття магнітної індукції, ми враховуємо цей фактор.

З технічної точки зору, напруженість магнітного поля як завгодно складної конфігурації досить просто розрахувати, а результуючу магнітну індукцію - виміряти.

Левітація пиролитического графіту

За цією уявною простотою ховається титанічна праця цілої плеяди вчених, розділених в часі і просторі. Їх ідеї і концепції визначили і визначають розвиток науки і техніки в минулому, сьогоденні і майбутньому.

І неважливо, як скоро ми здобудемо термоядерної енергією за допомогою нового покоління термоядерних реакторів, заснованих на утриманні «гарячої» плазми магнітним полем. Коли відправимо в космос нові покоління дослідних роботів на ракетах, заснованих на застосуванні інших принципів, ніж спалювання хімічного палива. Або, зокрема, вирішимо завдання корекції орбіт мікросупутників двигунами Холла. Або наскільки повно зможемо утилізувати енергію Сонця, як швидко і дешево ми зможемо пересуватися по нашій планеті - імена першопрохідців науки навіки залишаться в нашій пам'яті.

Магнітна плівка показує як намагнічений магніт для холодильника

Уже сучасному поколінню вчених і інженерів двадцять першого століття, збройного накопиченими знаннями своїх попередників, підкориться завдання магнітної левітації, поки апробована в лабораторіях і пілотних проектах; і проблема добування енергії з навколишнього середовища за допомогою технічної реалізації «демона Максвелла» з використанням небачених досі матеріалів і взаємодій нового типу. Перші прототипи таких пристроїв вже з'явилися на Kiсkstarter.

При цьому буде вирішена головна проблема людства - перетворення в тепло накопичених за сотні мільйонів років запасів вугілля і вуглеводнів, нещадно змінюють продуктами згоряння клімат нашої планети. І прийдешня термоядерна революція, яка гарантує, слідом за її бездумним освоєнням, теплову смерть будь-якої органічного життя на Землі, не стане смертним вироком цивілізації. Адже енергія будь-якого виду, яку ми витрачаємо, врешті-решт перетворюється в тепло і нагріває нашу планету.

Справа за малим - часом; доживемо - побачимо!

Історична довідка

Незважаючи на те, що самі магніти і явище намагнічування були відомі здавна, наукове вивчення магнетизму почалося з робіт французького середньовічного вченого П'єра Пелерен де Марикура в далекому 1269 році. Де Марікура підписував свої праці ім'ям Петрус Перегрина (лат. Petrus Peregrinus).

Зліва направо: Симеон Дені Пуассон, Шарль Огюстен де Кулон, Ханс Крістіан Ерстед, Андре-Марі Ампер, Вільям Гілберт. Джерело: Вікіпедія

Досліджуючи поведінку залізної голки біля сферичного магніту, вчений виявив, що голка по-особливому поводиться біля двох точок, названих їм полюсами. Так і підмиває дати аналогію з магнітними полюсами Землі, але в той час за такий образ думок легко можна було відправитися на багаття! Крім того, дослідник виявив, що будь-який магніт завжди має (в сучасному розумінні) північний і південний полюси. І як не розпилюйте магніт в поздовжньому або в поперечному перерізі, все одно кожен з отриманих магнітів завжди буде мати два полюси, як би тонкий він не був.

«Крамольна» ідея про те, що Земля сама по собі є магнітом, була опублікована англійським лікарем і натуралістом Вільямом Гілбертом в роботі «De Magnete», що побачила світ майже три століття по тому в 1600 році.

Зліва направо: Вільям Томпсон (лорд Кельвін), Фелікс Савар, Франц Ернст Нейман, Майкл Фарадей, Карл Фрідріх Гаус, Жан-Батист Біо. Джерело: Вікіпедія

У 1750 році англійський вчений Джон Мітчелл встановив, що магніти притягуються і відштовхуються (взаємодіють) відповідно до закону «зворотних квадратів». У 1785 році французький учений Шарль Огюстен де Кулон експериментально перевірив припущення Мітчелла і встановив, що північний і південний магнітні полюси не можуть бути роз'єднані. Проте, за аналогією з відкритим ним раніше законом взаємодії електричних зарядів, Кулон все ж припустив існування і магнітних зарядів - гіпотетичних магнітних монополів.

Грунтуючись на відомих йому на той час фактів про магнетизм і на переважній в той час в науці методологічному підході до побудови теорій взаємодії як про деяких рідинах, в 1824 році співвітчизник Кулона Симеон Дені Пуассон створив першу успішну модель магнетизму. У його теоретичної моделі магнітне поле описувалося диполями магнітних зарядів.

Але буквально відразу ж три відкриття поспіль поставили під сумнів модель Пуассона. Розглянемо їх нижче.

Датський фізик Ханс Крістіан Ерстед в 1819 році помітив відхилення стрілки магнітного компаса при включенні і відключенні електричного струму, що протікає через провідник у вигляді дроту, виявивши, таким чином, взаємозв'язок між електрикою і магнетизмом.

У 1820 році французький учений Андре-Марі Ампер встановив, що провідники зі струмами, поточними в одному напрямку притягуються, а в протилежному - відштовхуються. У тому ж 1820 французькі фізики Жан-Батист Біо і Фелікс Савар відкрили закон названий згодом їх іменами. Цей закон дозволяв розрахувати напруженість магнітного поля навколо будь-якого провідника зі струмом незалежно від його геометричної конфігурації.

Узагальнюючи отримані теоретичні та експериментальні дані, Ампер висловив ідею про еквівалентність електричних струмів і проявів магнетизму. Він розробив свою модель магнетизму, в якій замінив магнітні диполі циркуляцією електричних струмів в крихітних замкнутих петлях. Модель прояви магнетизму Ампера мала перевагу перед моделлю Пуассона, оскільки пояснювала неможливість поділу полюсів магнітів.

Демонстрація електромагнітної індукції за допомогою котушки, гальванометра і постійного магніту

Ампер також запропонував для опису таких явищ термін «електродинаміка», який розширив застосування науки про електрику до динамічних електричним об'єктів, доповнюючи тим самим електростатики. Мабуть, найбільший вплив на розуміння суті проявів магнетизму зробила концепція уявлення взаємодії магнітів через силове поле, що описується силовими лініями, запропонована англійським ученим Майклом Фарадеєм. Відкрите в 1831 році Фарадеєм явище електромагнітної індукції пізніше було пояснено німецьким математиком Францем Ернстом Нейманом. Останній довів, що виникнення електричного струму в замкнутому контурі при зміні магнітного потоку, що проходить через нього, є просто наслідком закону Ампера. Нейман ввів в ужиток науки поняття векторного магнітного потенціалу, який багато в чому еквівалентний напруженості силових ліній магнітного поля Фарадея.

Остаточну крапку в суперечці двох моделей магнетизму поставив в 1850 році видатний англійський фізик Вільям Томпсон (лорд Кельвін). Ввівши поняття намагніченості середовища M, в якій є магнітне поле, він не тільки встановив залежність між напруженістю магнітного поля H і вектором магнітної індукції B, а й визначив області застосовності цих понять.

Напруженість магнітного поля. визначення

Напруженість магнітного поля - це векторна фізична величина, що дорівнює різниці вектора магнітної індукції B і вектора намагніченості М. У Міжнародній системі одиниць (СІ) значення напруженості магнітного поля визначається формулою:

де μ0 - магнітна постійна, іноді її називають магнітною проникністю вакууму

В системі одиниць СГС напруженість магнітного поля визначається за іншою формулою:

У Міжнародній системі одиниць СІ напруженість магнітного поля вимірюється в амперах на метр (А / м), в системі СГС - в ерстедах (Е).

В електротехніці зустрічається також позасистемна одиниця вимірювання напруженості - ампер-виток на метр. З іншими величинами вимірювання напруженості магнітного поля, застосовуваними в різних додатках, і їх перекладами з однієї величини в іншу, можна ознайомитися в конвертері фізичних величин.

Вимірювальні прилади для вимірювання величини напруженості магнітного поля, як і прилади для вимірювання магнітної індукції, називають Тесламетр або магнітометрами.

Напруженість магнітного поля. фізика явищ

Дослідницький токамак (то роідальная ка міра з ма гнітнимі котушками), який працював в науково-дослідному інституті державної енергетичної компанії Hydro-Québec в передмісті Монреаля c 1987 по 1997 рік, коли проект був закритий для економії бюджетних коштів. Установка знаходиться в експозиції Канадського музею науки і техніки

У вакуумі (в класичному розумінні цього терміна) або за відсутності середовища, здатної до магнітної поляризації або у випадках, коли магнітної поляризацією середовища можна знехтувати, напруженість магнітного поля Н збігається (з точністю до коефіцієнта) з вектором магнітної індукції В. Для системи СГС цей коефіцієнт дорівнює 1, для системи одиниць СІ - μ0.

Напруженість магнітного поля обумовлена ​​вільними (зовнішніми) струмами, які легко виміряти або розрахувати. Тобто напруженість має сенс для зовнішнього магнітного поля, що створюється котушкою зі струмом, в яку вставлений матеріал, здатний намагнічуватися. Якщо нас не цікавить поведінка матеріалу під дією магнітного поля, то досить оперувати тільки напруженістю магнітного поля. Наприклад, напруженості буде досить для технічного розрахунку взаємодії магнітних полів двох або більше котушок зі струмом. Результуюча напруженість буде векторної сумою полів, створюваних окремими котушками зі струмом.

Оскільки більшість електромагнітних пристроїв працює в повітряному середовищі, важливо знати її магнітну проникність. Абсолютна магнітна проникність повітря приблизно дорівнює магнітної проникності вакууму і в технічних розрахунках приймається рівною 4π • 10⁻⁷ Гн / м.

Інша річ, коли нас цікавить саме поведінка середовища, здатної до намагнічування, наприклад, при використанні ядерних магніторезонансних явищ. При ЯМР ядра атомів, інакше називаються нуклонами і володіють напівцілим спіном (магнітним моментом), при впливі магнітного поля поглинають або випромінюють електромагнітну енергію на певних частотах. У цих випадках необхідно враховувати саме магнітну індукцію.

У відеомагнітофонах, які були популярними в кінці XX і початку XXI століття, використовується кілька крокових двигунів, в основі яких лежить якраз використання магнітного поля обмоток

Застосування напруженості магнітного поля в техніці

У більшості випадків практичного застосування магнітного поля, наприклад, для його створення або для вимірювання його величини, напруженість магнітного поля грає ключову роль. Існує безліч прикладів використання магнітного поля, в першу чергу в вимірювальній техніці і в різних установках для проведення експериментів.

Магнітне поле певної сили і конфігурації утримує плазмові шнури або потоки заряджених частинок в дослідних термоядерних реакторах і в прискорювачах елементарних частинок, запобігаючи тим самим охолодження плазми при контакті з огороджувальними стінками. Воно ж відхиляє потоки іонів або електронів в спектрометрах і кинескопах.

Вимірювання напруженості магнітного поля Землі в різних точках дуже важливо для оцінки стану її магнітосфери. Існує навіть ціла мережа наземних станцій і угруповань наукових супутників для моніторингу напруженості магнітного поля Землі. Їх робота дозволяє передбачати магнітні бурі, що виникають на Сонці, зводячи до мінімуму, наскільки це можливо, їх наслідки.

Детектор магнітних аномалій берегового патрульного літака Королівських ВПС Канади Lockheed CP-140 Aurora

Вимірювання напруженості поля дає можливість проводити різні дослідження, сортувати матеріали і сміття, а також забезпечувати нашу безпеку, виявляючи зброю терористів або заложённие міни.

магнітометри

Магнітометрами називається цілий клас вимірювальних приладів, призначених для вимірювання намагніченості матеріалів або для визначення сили і напряму магнітного поля.

Перший магнітометр був винайдений великим німецьким математиком і фізиком Карлом Фрідріхом Гауссом в 1833 році. Цей прилад був оптичний прилад з блоком намагніченим стрижнем, підвішеним на золотої нитки, і приклеєним до нього перпендикулярно осі магніту дзеркалом. Вимірювалося відмінність коливань намагніченого і розмагніченого стрижня.

Нині використовуються більш чутливі магнітометри на інших принципах, зокрема, на датчиках Холу, джозефсоновских тунельних контактах (СКВІД-магнітометри) індукційні і на ЯМР-резонансі. Вони знаходять широке застосування в різних додатках: вимірі магнітного поля Землі, в геофізичних дослідженнях магнітних аномалій і в пошуку корисних копалин; у військовій справі для виявлення об'єктів типу підводних човнів, затонулих кораблів або замаскованих танків, які деформують своїм полем магнітне поле Землі; для пошуку розірвалися або закладених боєприпасів на місцях ведення бойових дій. У зв'язку з мініатюризацією і зниженням споживання струму, сучасними магнітометрами оснащуються смартфони і планшети. Нині магнітометри входять як невід'ємний компонент в обладнання розвідувальних безпілотних літальних апаратів і супутників-шпигунів.

Металошукач на пляжі

Цікава деталь: в зв'язку з підвищенням чутливості магнітометрів, одним з факторів переходу будівництва підводних човнів на титанові корпусу замість сталевих корпусів було саме радикальне зниження їх помітності в магнітному полі. Раніше підводних човнів зі сталевим корпусом, як, втім, і надводних кораблях, доводилося час від часу проходити процедуру демагнетізаціі.

Магнітометри застосовуються при бурінні свердловин і проходці штолень, в археології для оконтурювання розкопок і пошуку артефактів, в біології та медицині.

Металодетектори

Спроби використання напруженості магнітного поля в військовій справі робилися з часів Першої світової війни, яка залишила на полях битв мільйони боєприпасів і встановлених хв. Найбільш вдалою виявилася розробка на початку 40-х років минулого століття, поручика польської армії Юзефа Станіслава Косацкого, прийнята на озброєння британської армією і співслужили чималу користь при знешкодженні мінних полів під час переслідування відступаючих німців військами генерала Монтгомері при другій битві під Ель-Аламейном. Незважаючи на те, що обладнання Коcацкого було виконано на електронних лампах, воно важило усього 14 кілограмів разом з акумуляторами харчування і було настільки ефективним, що його модифікації використовувалися британської армією протягом 50 років.

Тепер нас не дивує, в зв'язку з поширенням тероризму, проходження перед посадкою на літак або на футбольні матчі крізь індукційні рамки металодетекторів, обстеження охороною об'єктів нашого багажу або особистий огляд ручними металошукачами на предмет виявлення зброї.

Широке поширення отримали і побутові металошукачі, на пляжах модних курортів стала звичною картина шукачів загублених скарбів, прочісують місцеві пляжі в надії знайти щось цінне.

Ефект Холла и пристрої на его основе

Використання датчика Холла в мобільному телефоні. Зліва: магнітна плівка-визуализатор показує наявність магніту в крішці чохла для телефону. Центр: якщо кришка закрита, що знаходиться в ній магніт активізує датчик Холла і телефон показує годинник, які видно у віконці кришки. Справа: той же ефект досягається за допомогою магніту

Едвін Холл (1855-1938). Джерело: Вікіпедія

Існує окремий клас вимірювальних приладів, заснованих на ефекті, відкритому американським вченим Едвіном Холом в 1879 році. Суть цього явища полягає у виникненні поперечної різниці потенціалів (електричного поля) в провіднику з постійним струмом, вміщеним в магнітне поле, перпендикулярному напрямку струму. Різниця потенціалів викликана різним дією сили Лоренца на носії зарядів протилежних знаків - вони накопичуються біля протилежних сторін зразка, поки електричне полі не компенсує дію сили Лоренца. Ефект Холла проявляється в різних матеріалах: в металах він обумовлений відхиленням електронів, в напівпровідниках - відхиленням електронів і дірок, в плазмі - відхиленням електронів та іонів.

В середині сімдесятих датчики Холла широко використовувалися в клавіатурах; в клавішах були магнітики, які управляли датчиками Холла

Оскільки сигнал, що виробляється за рахунок ефекту Холла, відносно слабкий, він вимагає додаткового посилення. З розвитком інтегральної підсилювальної схемотехніки з'явилася можливість технічної реалізації датчиків Холла, інтегрованих з аналоговими підсилювачами постійного струму. Також вони можуть інтегруватися в єдиному корпусі з аналого-цифровими перетворювачами і логічними схемами, утворюючи інтерфейс для підключення до портів мікроконтролерів і комп'ютерів. Такі датчики знаходять застосування в різних областях науки і техніки.

Додаток Компас для смартфона з операційною системою Андроїд

За принципом дії датчики Холла відносяться до датчиків безконтактного типу, вони нечутливі до різного роду забруднень і впливу води, компактні і споживають мало електроенергії. Не дивно, що з цих причин лінійні і логічні датчики Холла широко застосовуються в сучасних технологіях. Наприклад, ви, швидше за все, не підозрюєте, що Ваш автомобіль буквально напханий датчиками Холла: вони працюють в системі запалювання автомобіля, в системі автоблокування коліс і гальмування, в блокуванні дверей і датчиках витрати палива, контролю зарядки акумулятора (датчик струму на основі ефекті Холла ) і тахометр. І принтер, який видає вам на заправці чек, використовує датчики Холла в безколекторних двигунах постійного струму і в датчиках паперу. Коли ви заходите в свій офіс, відкриваючи двері магнітною карткою, ви також користуєтеся зчитувачами магнітних карток на основі датчиків Холла.

Використання датчика Холла в мобільному телефоні

Цей перелік можна продовжувати досить довго, досить згадати застосування датчиків Холла для визначення положення кришки чохла в сучасних смартфонах. Слід зазначити, що в якості електронного компаса в смартфонах зазвичай використовуються магніторезистивні датчики так як їх чутливість до зміни магнітного поля набагато вище, ніж чутливість датчиків Холла.

Застосування вимірювання напруженості магнітного поля в медицині

Олександр Грем Белл (1847-1922). Джерело: Вікіпедія

У 1874 році французький винахідник Гюстав Труве розробив перший пристрій для виявлення куль і осколків снарядів в тілі поранених бійців. Пізніше винахідник телефону американець Олександр Белл (який ображався, коли його називали саме так, оскільки у нього були не менш революційні винаходи в інших областях техніки) удосконалив цей апарат і навіть намагався за допомогою нього врятувати пораненого президента США Джеймса Гарфілда. На жаль, спроба локалізації кулі виявилася невдалою.

Густав ПІЄРО Труве (1839-1902). Джерело: Вікіпедія

Зараз пропозиція лікарів пройти МРТ-обстеження в апаратах, які використовують в роботі напруженість магнітного поля, викликає тривогу тільки через його можливих результатів, проте, необхідність проходження обстеження не викликає сумніву.

Візуалізація напруженості магнітного поля

Побачити саме магнітне поле і розподіл його напруженості в просторі допомагають сучасні чутливі до магнітного матеріали - магнітні рідини і плівки. Звичайно, можна пиляти напилком якусь сталеву деталь для отримання деякої кількості залізних тирси з метою повторити досліди з магнітами часів Середньовіччя. Сучасні високотехнологічні розробки дають можливість їх неодноразового використання без непродуктивного перекладу матеріалів.

феромагнітна рідина

Часом виходять досить цікаві картинки прямо зі світу, який нам не дано відчувати в силу нашого обмеженого сприйняття. Але, можливо, саме вони спонукають вас на ідею їх застосування в новій якості і для нових цілей.

Не менш цікаві досліди по відтворенню шумів переорієнтації магнітних доменів, відомих як ефект Баркгаузена. Зазвичай для цих дослідів використовують котушку металевого дроту і вставлене в неї тіло з матеріалу, який легко намагнічується. Котушку підключають до підсилювача щоб чути шум, що виробляється під час переорієнтації доменів. Коли тіло намагнічується, магнітні домени переміщаються так, що замість випадково спрямованих вони стають спрямованими в певному напрямку. Цей рух і викликає характерний шум, який чути через підсилювач і гучномовець. Для його перекладу в відчутний ефект, необхідно використовувати додаткові підсилювачі і вставляти фільтр по частоті змінного струму (в Європі це фільтр на 50 Гц, в Штатах і Канаді - фільтр на 60 Гц) або фільтрувати сигнали мережевої частоти програмно.

Бачите, як багато корисних і цікавих застосувань у напруженості магнітного поля? Сподіваюся, що ми переконали вас спробувати деякі спостереження і експерименти з цієї статті. Якщо ви не хочете проводити їх самі, то на YouTube багато цікавих відео на цю тему.

феромагнітна рідина

Автор статті: Сергій Акішкін

Unit Converter articles were edited and illustrated by Анатолій Золотков

Ві маєте Труднощі в перекладі одиниці віміру з однієї мови на іншу? Колеги Готові вам помочь. Опублікуйте питання в TCTerms и в течение декількох хвилин ви отрімаєте відповідь.