Что является индикатором магнитного поля кратко
Обновлено: 01.07.2024
При помощи органов чувств человек не может обнаружить магнитное поле. Наличие магнитного поля можно установить при его воздействии на:
- магнитную стрелку,
- проводник с током,
- движущийся электрический заряд.
Так, магнитное поле способно поворачивать в пространстве магнитные стрелки и рамки с токами, то есть на данные объекты наше поле оказывает ориентирующее воздействие. На проводник с током и перемещающийся заряд в магнитном поле действуют магнитные силы, перпендикулярные направлению перемещения зарядов.
Ориентирующее действие магнитного поля
Поместим малую (пробную) рамку с током в магнитное поле.
Пробная рамка с током отвечает следующим требованиям:
- Она имеет малые размеры, такие, что ее поведение отражало бы характер поля в точке.
- Сила тока в рамке должна быть малой, такой, что влияние этого тока на источники исследуемого магнитного поля было бы несущественным.
Повернем нашу рамку на некоторый угол $\alpha $ относительно ее положения равновесия. Тогда на рамку будет оказывать действие момент сил, зависящий от силы тока в рамке $I$, площади ее поверхности $S$:
где $\alpha $ – угол поворота рамки.
Если рамку развернуть перпендикулярно силовым линиям поля, тогда $\alpha =\frac<\pi >,$, а вращающий момент сил становится наибольшим:
$M_\sim IS\left( 2 \right)$.
Отношение $M_max$ к силе тока и площади сечения рамки будет характеристикой магнитного поля в точке расположения рамки:
где $B$ – величина вектора магнитной индукции поля, являющаяся одним из основных параметров, описывающих поле.
Действие магнитного поля на заряженные частицы
Проведем следующий эксперимент. В трубке осциллографа получим прямолинейный пучок электронов, которые движутся по прямой линии. Падая на экран, этот пучок оставит лед в виде небольшого пятна. Приблизим к этому пучку снизу северный полюс линейного магнита. Пучок электронов сместится. Изменим полюс магнита, смещение пучка произойдет в противоположную сторону. Данный эксперимент указывает на то, что перемещающиеся электроны испытывают действие некоторой специфической силы в магнитном поле. Причем опыты показали, что эта сила пропорциональна скорости движения электронов. Подобным образом ведут себя любые другие заряженные частицы, перемещающиеся в магнитном поле.
Готовые работы на аналогичную тему
Сила, действующая на заряженную частицу, перемещающуюся в магнитном поле, называется силой Лоренца, она равна:
$\vec_=q\left( \vec\times \vec \right)\left( 4 \right)$,
где характеристиками частицы являются:
- $q$ – величина заряда частицы;
- $\vec v$ - скорость движения частицы.
характеристикой поля является вектор магнитной индукции.
Выражение (4) является справедливым для постоянных и переменных магнитных полей.
На заряд, находящийся в покое, магнитное поле не оказывает действия. Индикатором наличия магнитного поля служит перемещающийся заряд.
Формула (4) показывает принципиальный способ измерения индукции магнитного поля по силе воздействия поля на движущийся заряд.
С этой целью убеждаются в отсутствии электрического поля при помощи неподвижного заряда.
Находят такое направление скорости ($\vec v$), при котором сила Лоренца становится равной нулю. Это будет происходить, если вектор скорости сонаправлен или направлен в противоположную сторону вектору индукции. Так, с точностью до знака определяется направление магнитного поля.
Измеряют силу Лоренца при движении заряда нормально к вектору индукции поля. При этом:
$F_=q\left( \vec_\times \vec \right)\left( 5 \right)$,
где $\vec_\quad $ – скорость движения частицы перпендикулярная вектору поля ($\left( \vec_\vec \right)=0)$. Следовательно:
Формула (6) однозначно определяет вектор магнитной индукции.
Действие магнитного поля на токи
Эксперименты, показывающие действие магнитного поля на движущиеся заряды, обычно проводят не с отдельными частицами, а с их потоками.
Пусть ток создают движущиеся одинаковые частицы с зарядом $q$. Тогда плотность этого тока выразим как:
Сила, которая действует в магнитном поле на элемент объема ($dV), равна:dV), равна:
$d\vec=nq\left( \vec\times \vec \right)dV=(\vec\times\vec)dV\left( 8 \right)$,
где $N=ndV$ - число частиц в объеме $dV$.
Если ток течет по очень тонкому проводу, площадь сечения которого равна $S$, длина его $dl$ (малая длина), тогда сила, действующая на него в магнитном поле равна:
$d\vec=I\left( d\vec\times \vec \right)\left( 9 \right)$.
где $\vec jdV=I d\vec j$. Направление вектора $ d\vec j$ - совпадает с направлением силы тока.
Выражение (9) называется законом Ампера, а сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.
Так, обнаружить магнитное поле можно по его воздействию силой Ампера на проводник с током.
Для тока, текущего в прямом проводнике, находящегося в однородном магнитном: поле, силу Ампера можно определить как:
где $l$ - длина прямого проводника.
Модуль силы Ампера из (10) равен:
Вектор силы Ампера перпендикулярен плоскости, в которой лежат $\vec l$ и $\vec B$ и направлен по правилу правого винта.
Магнитное поле, которое создается проводником с током можно обнаружить по его действию на другой проводник с током. Если токи в проводниках направлены в одну сторону, то проводники притягиваются. Будем считать, что наши проводники параллельны, и находятся в вакууме, тогда силы притяжения равны:
где R – расстояние между проводниками, $dF$ - сила с которой один проводник действует на элемент ($dl$) другого проводника.
Если токи в проводниках направлены в противоположные стороны, тогда они отталкиваются.
Воздействие токов на магниты
Магниты оказывают действие на электрические токи. В свою очередь токи воздействуют на магниты.
Рассмотрим эксперимент, который проводил Эрстед. Ученый разместил над магнитной стрелкой прямой провод (рис.1) параллельно плоскости стрелки. Стал пропускать ток по проводнику. При этом стрелка, способная вращаться около вертикальной оси, отклонялась и устанавливалась нормально к проводнику. Эрстед изменял направление течения тока, стрелка поворачивалась на 180 °. Тот же эффект возникал, когда проводник переносили под стрелку. Опыт Эрстеда показал связь между электрическими и магнитными явлениями.
Рисунок 1. Эксперимент Эрстеда. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Железнобитонная плита размером 4 м * 0,5 м * 0,25 м погружена в воду наполовину. какова архимедова сила, действующая сила на нее? плотность воды 1000 кг/м3
Велосипед движется равномерно по окружности радиусом 100 м и делает 1 оборот за 2 мин. Путь и перемещение велосипедиста за 1 мин соответственно равны
1. Классификацию галактик Хаббла часто называют камертонной. Поясните причину такого названия. 2. Определите, какой промежуток времени требуется свету, чтобы пересечь Большое и Малое Магеллановы Облака в поперечнике
Во многих электротехнических и радиоэлектронных устройствах используются магниты и электромагниты различного назначения. Постоянные магниты применяются в динамических микрофонах и головках прямого излучения, электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы, микроэлектродвигателях, поляризованных реле и др. Переменные и пульсирующие магнитные поля создаются трансформаторами, дросселями, электромагнитными стабилизаторами напряжения, электродвигателями и реле переменного тока..
В практической деятельности людей, связанных с конструированием, эксплуатацией и ремонтом радиоаппаратуры, могут встречаться двоякого рода задачи по обнаружению и оценке значения магнитных полей. Это, во-первых, проверка магнитов, от которых зависит работоспособность радиоэлектронной аппаратуры. Например, качество записи и воспроизведения звука магнитофоном зависит от -исправности магнитов электродинамического микрофона и динамических головок, чувствительность магнитоэлектрического прибора определяется магнитной индукцией в зазоре его измерительного механизма, в телевизоре цветного изображения статическое сведение лучей и чистота цветов обеспечиваются с помощью нескольких постоянных магнитов и т. д.
Во-вторых, при конструировании и эксплуатации радиоэлектронных устройств нередко требуется выявление и учет влияния магнитных полей рассеяния, нарушающих нормальную работу отдельных элементов и аппаратуры в целом. Например, магнитное поле динамической головки может существенно снизить чувствительность радиоприемника с магнитной антенной, переменные поля трансформаторов питания искажают изображения в телевизорах и осциллографах, наводят фон переменного тока в усилителях и магнитофонах. В ряде случаев приходится прибегать к специальным мерам для ослабления помех, вызванных магнитными наводками: экранировать трансформаторы и дроссели, осциллографические электронно-лучевые трубки, цветные кинескопы, фотоэлектронные умножители, применять компенсационные элементы, антифонные катушки и т. п.
Промышленные приборы для измерения значений магнитных полей относительно мало распространены. В связи с этим на практике могут оказаться полезными описываемые здесь простые индикаторы магнитных, полей. -
Индикаторы постоянного поля
В индикаторе, собранном по схеме рис. 1, а, магни-точувствительным элементом (датчиком) является гер-кон SF1 с подвижным экраном, позволяющим частично ослаблять магнитное поле Н. Геркон присоединен гибкими проводниками с вилкой ХТ1 на концах к индикаторной лампе накаливания HL1 и батарее питания GB1. Под воздействием магнитного поля контакты, геркона замыкаются, и лампа загорается. Можно также присоединить проводники от геркона к авометру любого типа, включенному как омметр на пределе QX1000. В этом случае действие магнитного поля будет вызывать отклонение стрелки авометра.
Возможный вариант конструкции датчика такого индикатора показан на рис. 1., б. Геркон 5 с припаянными к его выводам соединительными проводниками 1 заключен в пластмассовую трубку 4 (например, от ненужной авторучки), по которой с небольшим трением перемещается экран 2. Экраном служит тонкостенная трубка подходящего диаметра из магнитомягкой стали (например, корпус конденсатора К.БГ-М), в которой сделано окно 3 соответственно размерам геркона. Порог срабатывания геркона и чувствительность к полю зависят от положения экрана, что позволяет снабдить индикатор простейшей шкалой 3, оцифрованной в относительных единицах.
Индикатор реагирует на поля, создаваемые динамическими головками прямого излучения, электроизмерительными приборами магнитоэлектрической системы и т. п., на расстоянии нескольких сантиметров.
Индикатор по схеме рис. 1, в, состоит из датчика поля—катушки L1 с магнитопроводом-концентратором и микроамперметра РА1 (авометра) или вольтметра PU1 (рис. 1, г ) на наименьшем пределе измерения. Датчик. (рис. 1) представляет собой стержень из магнито-мягкого материала сечением 0,5. 1,5 см 2 и длиной 10. 15 см с, каркасом, на котором намотано внавал 10 000.
15 000 витков провода ПЭВ-1 0,05.-0,1. Можно использовать катушку с сердечником от реле РКН или РПН, удалив якорь и контактные пружины.
При перемещении (повороте) датчика относительно силовых линий магнитного поля возникающая в катушке ЭДС индукции вызывает кратковременный бросок стрелки авометра. Большей напряженности поля соответствует и большее отклонение стрелки.
Индикатор низкочастотных полей
Индикатор по схеме на рис. 2 а отличается от предыдущего включением в цепь датчика L 1 полупроводникового диода VD1. Индикатор обнаруживает поля рассеяния трансформаторов питания, электродвигателей и т. п. на расстоянии до 10 см и более.
Еще чувствительнее устройство со звуковым индикатором (рис. 2, б) — головными телефонами BF1 ТОН-2, ТОН-2А или другими высокоомными . Как известно, звукоотдача телефонов на низких частотах невелика, а чувствительность слуха — понижена. Однако наличие в цепи датчика диода VD1 приводит к появлению гармоник основной частоты, что улучшает слышимость и, следовательно, чувствительность индикатора к полям технической частоты (50 Гц). Это позволяет с успехом использовать его для обнаружения и оценки полей рассеяния катушек и даже одиночных проводников, по которым протекают токи силой около нескольких ампер, например в цепях питания нитей накала радиоламп. Возможно также использование индикатора для обнаружения чжрытой в стенах электро - или радиопроводки .
В предельно упрощенном устройстве, выполненном по схеме на рис. 2, в, один из излучателей высокоомного головного телефона BF1.1, снятый с оголовья и освобожденный от амбушюра и мембраны, используется в качестве датчика переменного магнитного поля, а другой излучатель (BF1.2) является звуковым индикатором. Диод VD1 присоединен к штепсельной вилке ХТ1 телефонов. Чувствительность этого индикатора, меньше чем предыдущего.
Блок-схема профессионального индикатора поля. Рис 1
Так как эффективность индикаторов поля сильно зависит от помеховой обстановки в конкретном месте поиска, то для уменьшения этой зависимости в некоторых моделях индикаторов поля используются режекторные или полосовые фильтры (АПП-7). Первые в значительной степени уменьшают уровень помех от известных источников (как правило, передатчиков телевещания) и настроены на наиболее мощные из них. Вторые сужают частотный диапазон поиска, чем уменьшают мощность помех на входе прибора. Обычно применяется несколько полосовых фильтров, каждый из которых настроен на свой диапазон частот. Вместе они перекрывают диапазон частот индикатора поля. При поиске жучков, в зависимости от загрузки проверяемого диапазона, фильтры могут использоваться выборочно.
Рис.2 Устройства индикации светодиодных индикаторов поля
Наличие режима частотомера позволяет измерять значение несущей частоты радиосигнала, уровень которого значительно превышает уровень фона. Это дает возможность ориентировочно идентифицировать передатчик по значению несущей частоты и определить, к какому виду можно отнести обнаруженный сигнал. Режим частотомера очень полезен, когда известно значение несущей частоты закладочных устройств и стоит задача конечной локализации передатчика опасного сигнала.
Принципиально светодиодная индикация – как у детектора поля Black Hunter - представляет собой дорожку светодиодов, загорающихся при обнаружении сигнала, превышающего уровень порогового значения электромагнитного поля (рис. 2). По количеству загоревшихся светодиодов оператор делает вывод о возможном местонахождении источника излучения (чем ближе источник излучения, тем больше амплитуда принимаемого сигнала и большее число светодиодов загорится).
Рассмотрим цифровые устройства индикации, выводящие информацию об обнаруженных сигналах на дисплей (рис 3): индикатор поля Ракса-120 и индикатор поля ST-110.
Устройства индикации современных цифровых индикаторов поля Ракса-120 и ST-110 позволяют выводить на дисплей следующую информацию: частоту обнаруженного сигнала, мощность излучения в децибелах или по количеству закрашенных секторов, а также принадлежность к известным видам излучения (GSM, DECT, Bluetooth и Wi-Fi). Такой объем выводимой информации позволяет оператору определить, в зависимости от частотной области излучения, принадлежность сигнала к тому или иному виду и локализовать его источник. Кроме того, у цифровых индикаторов поля Raksa-120 имеется возможность производить селекцию обнаруженных сигналов и в данный момент работать только с тем сигналом, который вас интересует. Некоторые из цифровых индикаторов –например, индикатор поля ST-110- имеют возможность подключения к персональному компьютеру, что также расширяет их возможности.
• Таким образом, проведенный краткий анализ тактических возможностей поисковых индикаторов с различной индикацией информации об обнаруженных излучениях позволяет сделать определенные выводы: светодиодная индикация не обеспечивает оператора необходимой информацией для идентификации обнаруженного сигнала, даже для прослушивающих устройств с открытым каналом передачи данных;
• при наличии мощного внешнего излучения (например, от находящейся рядом с контролируемым помещением базовой станции сотовой связи) светодиодный индикатор будет реагировать только на этот сигнал, что не позволит выявлять излучение прослушивающих устройств из защищаемого помещения;
-информация, выводимая на дисплеи цифровых индикаторов поля Raksa-120 и ST-110, а именно частота, мощность излучаемого сигнала и принадлежность импульсных сигналов к определенному виду, позволяет оператору с более высокой вероятностью выявить принадлежность излучаемых сигналов к определенному источнику излучения;
• наличие системы селекции обнаруженных сигналов у индикатора поля Raksa-120 позволяет отстроиться от источника помехового сигнала и анализировать сигналы, подходящие по параметрам к излучениям закладочных устройств.
Портативный измеритель мощности РИЧ-8 (MFP-8000) (рис. 4)
- универсальный прибор, который органично сочетает в себе свойства, присущие сразу нескольким типам измерительных приборов: измерителю мощности, частотомеру, индикатору поля и анализатору сигнатуры.
С его помощью можно:
• определять частоту входного сигнала в диапазоне частот от 100 кГц до 8 ГГц;
• измерять мощность входного сигнала в диапазоне уровней от -60 до +30 дБм;
• идентифицировать во входном сигнале наличие признаков протокола обмена данными для сотовой и телефонной систем связи (GSM 900/1800/1900, DECT);
• автоматически (посредством встроенного интерфейса) настраивать панорамные радиоприемники или другие устройства на измеренную MFP-8000 частоту сигнала;
• использовать (встроенные) память прибора, часы и календарь для протоколирования и хранения результатов измерений;
• задействовать встроенный интерфейс для организации использования MFP-8000 в качестве измерительного элемента в составе автоматизированных компьютерных систем.
предназначен для выявления и локализации маломощных источников электромагнитного излучения в диапазоне от 50 до 8000 МГц. Анализатор поля позволяет выявлять закладные устройства, внедренные в выделенные помещения и на объекты информатизации и использующие для передачи информации радиоканал. Работа анализатора основана на интегральном методе измерения уровня электромагнитного поля в точке его расположения. Прибор позволяет идентифицировать сигналы устройств сотовой и телефонных систем связи стандартов GSM-900, GSM-1800 (DCS), DECT, а также беспроводных систем связи Bluetooth и Wi-Fi (диапазон - 2,4 ГГц) и при этом не только обнаружить излучение радиопередатчика, негласно установленного в выделенном помещении, но и измерить частоту его сигнала, а также оценить мощность электромагнитного излучения в точке приема. Анализатор имеет два режима: режим поиска и режим акустической завязки. В первом случае осуществляется измерение частоты и уровня электромагнитного излучения, во втором - возможен поиск радиопередатчиков методом акустической обратной связи. Прибор снабжен жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображаются:
• диапазон частот;
• уровень и частота принимаемого сигнала;
• наличие сигналов GSM-900, GSM- 1800, DECT, Bluetooth, Wi-Fi;
• уровень порога обнаружения и заряда элементов питания.
Селективный индикатор поля RAKSA-120 (рис. 7)
предназначен для обнаружения в ближней зоне и определения местоположения радиопередающих устройств, использующихся для негласного съема аудио- и видеоинформации в диапазоне от 50 до 3300 МГц, таких как:
• радиомикрофоны с аналоговой, цифровой и широкополосной модуляцией;
• сотовые телефоны стандартов GSM 900/1800, UMTS (3G), CDMA450;
• беспроводные телефоны стандарта DECT;
• устройства Bluetooth и Wi-Fi;
- беспроводные видеокамеры;
- радиомодемы и радиомаяки систем слежения.
Статья из журнала INSIDE, автор Бузов Г.А., эксперт по вопросам защиты информации от утечки по техническим каналам.
Читайте также: