книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

можно использовать соответственно для замыкания и размыка­ ния некоторой электрической цепи.

6.15. ЖИДКОСТНЫЙ ПУСКАТЕЛЬ

Рассмотрим капсулу со ртутью, находящуюся в магнитном поле. В капсулу вмонтированы электроды, как показано на рис. 6.9. Электрический ток, протекающий через ртуть, переме­ щает ее в один или другой конец капсулы в зависимости от направления тока. Если на одном конце капсулы имеется пара электродов, то электрический контакт между этими электродами можно создавать или нарушать, изменяя направление управля­ ющего тока, подаваемого на другую пару электродов.

Рис. 6.9. Жидкостный пускатель. Если поместить в магнитное поле жидкость, несущую электриче­ ский ток, то на нее будет дей­ ствовать механическая сила:

вверху — цепь замкнута; внизу — цепь разомкнута

6.16. ФЕРРОЖИДКОСТЬ

Феррожидкости — это жидкости, обладающие магнитными свойствами, но не изменяющие в сколько-нибудь значитель­ ной степени свои механические характеристики под влиянием магнитного поля. Магнитное поле можно использовать рля стабилизации положения феррожидкости в присутствии грави­ тационных, центробежных и других внешних сил. Кроме того, при помощи приложенного магнитного поля можно заставить всплывать в феррожидкости объекты, которые имеют большую плотность, чем феррожидкость.

Феррожидкости обязаны своими магнитными свойствами субмикроскопическим магнитным частицам, образующим с несу­ щей жидкостью коллоидную суспензию. Каждая такая частица меньше магнитного домена, который обычно имеет диаметр около

Рис. 6.10. Феррожидкость в поле Био — Савара. Показана фор­ ма, которую принимает ферро­ жидкость при совместном дейст­ вии силы тяжести и поля Био — Савара

10 нм. Жидкостные механические свойства сохраняются фер­ рожидкостью даже при магнитном насыщении, так как указан­ ные частицы обрабатываются поверхностно-активным веществом, которое поддерживает их диспергированное состояние в несущей жидкости. Феррожидкость намагничивается, когда частицы упорядочивают свои ориентации под влиянием приложенного магнитного поля.

На рис. 6.10 изображен стержень с текущим в нем электри­ ческим током, направленный вертикально и проходящий через кювету с феррожидкостью. Феррожидкость подтягивается к стержню, т. е. в направлении градиента поля, вследствие чего часть ее, находящаяся вблизи поверхности стержня, выталкива­ ется вверх вдоль стержня периферическими частями феррожид­ кости. В итоге образуется мениск конической формы.

6.17. МАГНИТНЫЙ ПОДВЕС

При помощи постоянных магнитов с соответствующей геомет­ рической формой и коэрцитивной силой можно сконструировать устройство, один из элементов которого поддерживается исклю­ чительно магнитными полями, т. е. его можно заставить «пла­ вать» в магнитном поле (рис. 6.11). Кольцеобразный магнит окружен полем в форме чашки. Хотя это поле обычно близко к тороидальному, оно имеет меньшую напряженность вдоль центральной линии, чем во всех других точках. Если плавающий магнит имеет достаточную мощность, чтобы преодолеть размаг­ ничивающую силу кольцеобразного магнита, и снабжен ограни-

ее через напряженность первого. Один довольно грубый способ измерения относительной напряженности магнитного поля осно­ ван на применении колеблющегося магнита.

Поскольку магнитное поле в каждой точке пространства имеет определенное направление, большинство устройств для измерения поля обладает чувствительностью к направлению поля. Они реагируют на вектор поля, ориентированный в опре­ деленном направлении, которое указывается характерной осью устройства. Например, ориентация свободно подвешенного стержневого магнита зависит от направления магнитного поля, в котором он помещен: ось магнита стремится расположиться параллельно вектору поля. На этом явлении основаны такие приборы, как компас и инклинатор, изображенный на рис. 7.1.

Некоторые принципы преобразования, например, связанные с магниторезистивными эффектами и магнитоиндуктивными эф­ фектами, теоретически остаются в силе при любом направлении поля. Однако вследствие анизотропии материала, из которого изготовляют указанные приборы, необходима калибровка в на­ правлении их действия. В то же время приборы, основанные на определении частоты Лармора, сравнительно малочувстви­ тельны к направлению, так как все участвующие в процессе магнетоны автоматически ориентируются в направлении поля, причем практически невозможно узнать, каково именно это на­ правление. Частота Лармора определяется только напряжен­ ностью магнитного поля и не зависит от его направления, но амплитуда результирующего сигнала является функцией направ­ ления поля. На самом деле частоту Лармора вообще невозможно определить, если переменное поле, возбуждающее прецессию Лармора, направлено так же, как и внешнее поле, в которое помещен прибор.

Форма поля не может быть определена при помощи какоголибо одного явления без механических манипуляций. Ее находят путем измерения напряженности поля в разных точках простран­ ства и по разным направлениям. Магнитометрами обычно называют приборы, предназначенные почти для любых видов магнитных измерений, и не дают для этих приборов каких-либо более узких определений. Нередко приборы, измеряющие напря­ женность магнитного поля (а не его индукцию), называют гауссметрами {рис. 7.3), хотя это не вполне соответствует современной терминологии.

Намагниченность вещества можно оценить по его способности изменять заданное стандартное магнитное поле или же по воз­ действию на вещество силы, возникающей при помещении ве­ щества в стандартное магнитное поле. Первый из этих подходов используется в конструкции с колеблющимся образцом, пока­ занной на рис. 7.4, на втором подходе основан метод Гюи, иллюстрируемый на рис. 7.6.

Напряженность магнитного поля в немагнитной среде обычно выражают в единицах гамма (у), эрстед (Э), или ампер на метр (А/м), причем 1у= 10—5Э=7,96-10—4 А/м. Гамма была выбрана для удобства измерения магнитного поля Земли, или геомагнит­ ного поля. Изменения напряженности геомагнитного поля при­ мерно на 1у могут быть вызваны влиянием гвоздя в ботинке, находящегося на расстоянии от точки наблюдения около 1,5 м, или же автомашиной, находящейся на расстоянии около 30 м.

7.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОЛЯ

Постоянный магнит продолговатой формы, установленный таким образом, что он может свободно двигаться в вертикальной плоскости, повернет свою ось в направлении, параллельном геомагнитному полю. Если снабдить магнит шкалой, ориентация которой поддерживается неизменной относительно гравитацион­ ного поля Земли, то смещение магнита относительно такой шка­ лы будет указывать направление геомагнитного поля по отно­ шению к горизонту (см. рис. 7.1).

Находящееся поблизости невидимое (например, погруженное в воду) магнитное тело можно обнаружить по записи угла отклонения магнита при прохождении данной области; аномалии этой величины по отношению к регулярной кривой изменения геомагнитного поля говорят о наличии магнитного тела.

7.2. КОЛЕБЛЮЩИЙСЯ МАГНИТ

На рис. 7.2 показано тело из намагниченного материала, подвешенное таким образом, что оно может свободно вращаться в определенной плоскости. Если это тело помещено в магнитное поле, направление которого параллельно плоскости вращения тела, то тело самопроизвольно ориентируется в направлении поля. Если теперь отклонить его от направления поля и от­ пустить, то оно начнет совершать затухающие колебания с часто­ той, зависящей от напряженности поля.

7.3. ГАУССМЕТР НА ПОСТОЯННОМ МАГНИТЕ

Магнитные тела из материала, обладающего свойствами постоянного магнита, стремятся совместить свою ось с направ­ лением магнитного поля, в которое их помещают. Сила, застав­ ляющая тело ориентироваться таким образом, при условии приведения ее значения к некоторому стандартному магнитному полю называется магнитным моментом тела. После того как магнитный момент данного тела определен в стандартном магнитном поле, при помощи этого тела можно измерять неизве­ стные поля.

Рассмотрим, например, конструкцию, показанную на рис. 7.3.

Здесь постоянный магнит ориентируется под действием внешнего поля, преодолевая сопротивление винтовой пружины. Когда это устройство, обычно называемое гауссметром, поворачивают вокруг оси, перпендикулярной магниту, на угол до 360°, при определенном положении сила пружины становится достаточной для того, чтобы преодолеть магнитную силу, устанавливающую ориентацию магнита, т. е. достигается максимум силы, и при дальнейшем повороте устройство «соскакивает» с этого максиму­ ма. «Соскакивание» может не произойти, если измеряемое поле является слишком сильным для гауссметра данного типа, при этом не исключено повреждение прибора из-за нарушения его намагниченности. Точка достижения максимума характеризуется максимальным отклонением указателя относительно шкалы, на которой это отклонение можно прокалибровать в значениях напряженности измеряемого магнитного поля.

7.4. ГРАДИОМЕТР

Два магнитометра, разнесенных в физическом пространстве, можно использовать для определения разности напряженностей магнитного поля между точками их расположения. Если выход­ ные цепи этих магнитометров включены последовательно на­ встречу одна другой и точно сбалансированы, то их суммарный выходной сигнал не будет зависеть от общего внешнего поля, в которое они помещены, а отразит только указанную разность напряженностей. Такое устройство с двойным магнитометром называется градиометром. При наличии локального простран­ ственного изменения поля в окрестности одного из состав­ ляющих приборов их суммарный выходной сигнал указывает положительное или отрицательное пространственное приращение поля.

Описанные приборы можно использовать для обнаружения скрытых залежей руды (или других подобных объектов), которые создают очень малые аномалии поля на протяжении очень больших участков пространства. Для этой цели градиометр просто перемещают вдоль линии, длина которой достаточна для выявления искомой аномалии. Разрешающая способность и чувствительность такого метода измерения зависят как от задан­ ного постоянного расстояния между двумя составляющими магнитометрами, так и от протяженности пути движения градиометра.

7.5.МАГНИТОМЕТР С КОЛЕБЛЮЩИМСЯ ОБРАЗЦОМ

Вматериале, помещенном в магнитное поле, может наводить­ ся магнитный момент. Его величина пропорциональна произве­ дению магнитной восприимчивости материала и напряженности поля.

Если заставить образец материала совершать синусоидальные движения в магнитном поле, то в приемной катушке, располо­ женной соответствующим образом вблизи образца, будет наво­ диться электрический сигнал (см. рис. 7.4). Этот сигнал пропор­ ционален величине магнитного, момента, а также амплитуде и частоте колебаний образца. В случае, когда поддерживаются постоянные значения и амплитуды, и частоты, снимаемый с катушки сигнал пропорционален магнитному моменту. Если остается постоянной напряжейность внешнего магнитного поля, то этот метод можно использовать для сравнения магнитных восприимчивостей разных веществ.

7.6. СХЕМА БОЗОРТА

Схема Бозорта, предназначенная для определения маг­ нитной восприимчивости веществ, состоит из двух одинаковых соленоидов, соединенных последовательно и образующих цепь типа электрического моста. Соленоиды расположены рядом, их оси параллельны, а посередине между ними установлено инди­ каторное устройство для измерения магнитной индукции. Прежде всего необходимо проверить схему и убедиться, что магнитные поля двух катушек при отсутствии образца взаимно компенси­ руются, не вызывая отклонений индикатора.

Образец исследуемого вещества приготавливают в форме стержня, размеры которого совпадают с размерами третьего, контрольного соленоида. Образец вставляют в один из соле­ ноидов мостовой цепи, а контрольный соленоид аналогичным об­ разом помещают внутри другого соленоида мостовой цепи (рис. 7.5). На соленоиды мостовой цепи подается ток возбужде­ ния, обеспечивающий определенное значение магнитодвижущей

Рис. 7.5. Схема Бозорта. Отно­ сительная намагниченность об­ разца вещества может быть уравновешена эквивалентным магнитным полем, создаваемым катушкой с током, причем ток в катушке будет зависеть от на­ магниченности образца

силы. Затем подбирают такое значение тока в контрольном соле­ ноиде, при котором точно компенсируется влияние исследуемого образца на магнитное поле, воспринимаемое индикаторным устройством.

При нулевом показании индикатора магнитный момент об­ разца равен магнитному моменту контрольного соленоида. Зна­ чение магнитного момента можно рассчитать по заданным физи­ ческим параметрам контрольного соленоида и протекающему в нем току.

7.7.МЕТОД ГЮИ

Вустройстве, реализующем метод Гюи (рис. 7.6), образец материала в форме стержня подвешивается за один конец во внешнем магнитном поле. Если стержень имеет достаточно боль­ шую длину, чтобы его второй конец не намагничивался, то можно измерить силу притяжения стержня магнитным полем и, зная напряженность поля и площадь поперечного сечения стержня, вычислить магнитную восприимчивость материала.

На рис. 7.7 показано устройство с двумя катушками, пред­ назначенное для измерения магнитной проницаемости веществ при различных значениях намагничивающей силы. В этом уст­ ройстве, получившем название пермеаметра, индуктивность

юо