Школьные индикаторы напряженности и индукции магнитного поля

В статье рассматриваются два различных прибора, предназначенные для относительных измерений величин индукции и напряженности магнитного поля. Приборы могут быть изготовлены в школе и применены для демонстрации различных опытов по электромагнетизму.

Полупроводниковый индикатор. Прибор состоит из трех частей (рис. 44): датчика э. д. с. Холла 1, усилителя постоянного тока 2, колодки с винтовыми зажимами 3 для включения источников питания и демонстрационного гальванометра.

Датчик э. д. с. Холла (рис. 45) представляет собой тонкую пластинку, выпиленную с помощью мелкозернистой наждачной бумаги из монокристаллического германия с электронной проводимостью. Размеры пластинки 9 X З X 0,5 мм. К противоположным сторонам пластинки припаяны чистым оловом медные электроды. Выходные электроды расположены точно на эквипотенциальной линии. Это обеспечивает отсутствие на них начального напряжения.

Входное сопротивление датчика равно 155 ом выходное сопротивление— 35 ом. Допустимая мощность, рассеиваемая на датчике в воздухе при температуре 20С'С, составляет 0,1 — 0,15 вт.

При внесении датчика в поперечное магнитное поле на его выходных электродах появляется напряжение, величина которого прямо пропорциональна напряженности магнитного поля и току, протекающему через датчик. Это напряжение подается на вход усилителя постоянного тока, собранного на двух полупроводниковых триодах типа П13Б по параллельно-балансной схеме с общим эмиттером (рис. 46).

Одновременно с усиливаемым сигналом на вход усилителя подается небольшое по величине постоянное напряжение, которое подводится к базам триодов через постоянные сопротивления R₁ и R₂.

Это напряжение обеспечивает линейное усиление входного сигнала. Усиленный ток измеряется демонстрационным гальванометром, включенным на выход усилителя по мостовой схеме. Плечами моста служат переменное сопротивление R₃ и внутренние сопротивления обоих триодов. Начальная установка нуля гальванометра производится с помощью переменного сопротивления R₃ .

Усилитель и датчик э. д. с. Холла смонтированы на изолирующей панели размером 220 X З0 X 2 мм, причем датчик находится на одном конце монтажной панели, а усилитель — на другом.

Датчик закрыт изолирующей пластинкой, а усилитель—алюминиевым цилиндрическим корпусом, который одновременно служит и ручкой индикатора. В стенке корпуса сделано отверстие для ручки переменного сопротивления R₃, а в торце — отверстие для проводов, идущих к колодке с винтовыми зажимами.

Датчик и усилитель питаются от двух отдельных источников постоянного тока с напряжением около 4 в. Источник для питания Датчика включается к зажимам 1 и 2; источник для питания усилителя — к зажимам 3 и 4; демонстрационный гальванометр — к зажимам 5 и 6.

Ферромагнитный индикатор. Прибор представляет собой малогабаритный трансформатор с тремя обмотками (рис. 47). Первичные обмотки питания W₁ и w₂ намотаны на двух отдельных каркасах, взятых от электромагнитных телефонов, они содержат каждая по 100 витков провода ПЭ-0,15 и соединены друг с другом последовательно и встречно. Выходная обмотка w₃ намотана сверху обмоток питания сразу на обоих каркасах, т. е. охватывает обе ветви сердечника трансформатора, и содержит 600 витков провода ПЭ-0,06.

Сердечник трансформатора имеет сечение 9 х 1,5 мм² и выполнен из пермалоевой ленты шириной 9 мм и толщиной 0,1 мм. Последний виток пермалоевой ленты образует вытянутую петлю п длиной 55 мм, внутрь которой вставлены два деревянных клина g (для жесткости конструкции). Петля сделана для увеличения чувствительности прибора.

Трансформатор укреплен на конце деревянной рейки длиной 30 см, которая служит ручкой прибора (рис. 48). Выводы обмоток трансформатора припаяны к гибким проводам длиной около метра. Провода закреплены на деревянной рейке и заканчиваются наконечниками для винтовых зажимов.

Прибор питается от звукового генератора типа ЗГ-1 на частоте 1000 гц. Генератор подключается к зажимам 1 и 2.

Величина магнитной индукции отсчитывается (в условных единицах) по шкале демонстрационного гальванометра, который подключается к зажимам 3 и 4.

Принцип действия индикатора основан на явлениях периодического изменения магнитной проницаемости сердечника трансформатора под действием проходящего переменного тока. Это изменение происходит вследствие нелинейности кривой намагничивания. Рассмотрим это явление подробнее.

Переменный ток, протекающий по первичным обмоткам трансформатора, создает в сердечнике два одинаковых по величине, но противоположных по направлению магнитных потока, так как обмотки питания соединены между собой последовательно и встречно. В результате этого при отсутствии внешнего магнитного поля в выходной обмотке, охватывающей оба сердечника, э. д. с. индукции равна нулю.

При этом магнитная проницаемость сердечника периодически изменяется с удвоенной частотой по сравнению с частотой источника питания. Это вызвано тем, что при максимальном значении индукции в сердечнике его магнитная проницаемость имеет минимальное значение независимо от знака индукции, а при прохождении индукции через нуль — достигает максимума.

При внесении индикатора в постоянное магнитное поле в его сердечнике появляется дополнительный магнитный поток, изменяющийся с такой же частотой, как и магнитная проницаемость сердечника. В результате этого изменения в выходной обмотке трансформатора индуцируется переменная э. д. с. удвоенной частоты, величина которой в некоторых пределах прямо пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля.

Внешнее магнитное поле оказывает влияние также и на величину индуктивностей первичных обмоток и, следовательно, на величину тока, протекающего через них. Все это приводит к тому, что в выходной обмотке трансформатора изменяется не только напряжение удвоенной частоты, но, как правило, достигается усиление мощности.

Ферромагнитный индикатор реагирует только на составляющую индукции внешнего поля, которая направлена вдоль оси сердечника, и совершенно не чувствителен к составляющей магнитной индукции, направленной перпендикулярно продольной оси сердечника. Это позволяет определять направление индукции магнитного поля в пространстве.

При повороте индикатора в магнитном поле на 180° фаза выходного напряжения изменяется на обратную.

Чувствительность индикатора настолько высока, что всякое изменение его положения в магнитном поле Земли приводит к образованию в выходной обмотке переменного тока, который отклоняет стрелку демонстрационного гальванометра на два деления шкалы. Чувствительность к магнитному полю можно значительно повысить, если увеличить число витков выходной обмотки или применить полупроводниковый усилитель, собранный по схеме рисунка 46.

Предлагаемые индикаторы обладают очень важными достоинства ми, среди которых следует отметить следующие:
1) прямой отсчет напряженности и индукции магнитного поля (в условных единицах) по демонстрационному гальванометру;
2) отсутствие движущихся частей в магнитном поле;

3) линейная шкала. Заметные отклонения от линейности шкалы наблюдаются лишь в области больших полей;
4) малые размеры датчиков, особенно полупроводникового, что позволяет измерять топографию магнитного поля, а также магнитную индукцию в малых объемах и тонких зазорах (электромагнитов, измерительных приборов и т. п.);

5) простота электрической измерительной схемы;
6) возможность непрерывного измерения постоянных и переменных полей, меняющихся по любому закону;
7) возможность в широких пределах изменять чувствительность индикаторов простой регулировкой величины питающего их тока;
8) практически неограниченный срок службы.

Рассмотренные приборы позволяют демонстрировать следующие опыты по электромагнетизму: - магнитное поле линейного проводника с током;
- зависимость индукции магнитного поля от величины тока, формы проводника, от расстояния до проводника и от магнитных свойств среды, в которой создано магнитное поле;

- магнитное поле катушки с током;
- зависимость напряженности магнитного поля от величины тока и числа витков катушки, приходящихся на единицу длины;
- снятие кривой намагничивания ферромагнетика;
- магнитное поле тока, протекающего в электролите;
- намагничивание стали в магнитном поле;
- зависимость магнитной индукции электромагнита от формы сердечника;

- магнитное поле постоянного линейного магнита;
- шунтирование подковообразного магнита;
- экранирующее действие стали;
- размагничивание ферромагнетика в переменном магнитном поле;
- принцип действия магнитного дефектоскопа;
- магнитное поле Земли;

- намагничивание стального стержня в магнитном поле Земли;
- преобразование постоянного тока в переменный и обратно;
- принцип измерения большой величины силы тока (постоянного и переменного) и др.