Аппаратный комплекс для генерации магнитных полей, их регистрации и визуализации

Область техники
Заявляемый аппаратный комплекс относится к разделу устройств, предназначенных для измерения переменных магнитных и электрических величин, в частности, напряженности магнитного поля, для оценки вклада тока смещения в магнитное поле между обкладками конденсатора, измерения разности потенциалов электромагнитных полей в зависимости от частоты колебаний контура, а также формирования электрических сигналов.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известно устройство для измерения индукции магнитного поля, основанное на использовании механических измерительных преобразователях (патент RU 2282863 C1 «Измерение направления или напряженности магнитных полей или магнитных потоков», Б. Драгунов, G01R 33/02, 27.08.2006). Недостатком данного устройства является низкая точность измерений из-за внешних помех, и невозможность производить точные расчеты из-за предела плотности градуировки шкалы поворота конденсатора.
Также известно устройство для изучения электромагнитного поля (патент RU 175142 U1 «Устройство для изучения электромагнитного поля», Г. Станишевский, G01R 33/02 (2006.01), G09B 23/06 (2006.01), 30.05.2017). Данное устройство не обладало высокой точностью из-за явления самоиндукции. Частота электрических сигналов и напряжение цепи регулировались с помощью тумблера в самом генераторе - это не позволяло с достоверной точностью определить задаваемую частоту, что увеличивало погрешность при расчетах.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлено данное устройство, является измерение напряженности магнитного поля и определение его направления. Данная задача решается за счет использования детектора с высокой чувствительностью «пояса Роговского». Это тороидальный соленоид со специальным компенсирующим противовитком, который минимизирует явление самоиндукции. С помощью «пояса Роговского» измеряют токи в широком диапазоне частот.
Разработанный комплекс по сравнению с аналогами позволяет производить прецизионные измерения. Все элементы комплекса выполнены так, чтобы работать с ним было удобно и легко. Весьма важно, что заявляемый аппаратный комплекс безопасен при использовании в лабораторных работах, связанных с измерением электромагнитной индукции, в учебных заведениях, где в опытах участвуют как преподаватели, так и школьники (студенты).
Осуществление полезной модели
Аппаратный комплекс для генерации магнитных полей, их регистрации и визуализации (см. фиг. 1), включает в себя микроконтроллер 1, регулирующий работу генератора 2, который соединяется коаксиальным кабелем 3 с пластинами плоского конденсатора 4, и датчик «пояс Роговского» 5, который устанавливается между пластинами и соединяется с осциллографом 6, позволяющим определить амплитуду напряжения в цепи с датчиком и сдвиг фазы относительно сигнала генератора, при этом данные передаются на микроконтроллер для обработки, а затем на дисплей 7.
Аппаратный комплекс выводит на дисплей напряженность магнитного поля, значение тока смещения, график разности потенциалов электромагнитного поля между обкладками конденсатора, посчитанный по формуле (ожидаемый результат) и измеряемой датчиком (реальный результат).
Оценка вклада плотности тока смещения  определяется скоростью изменения вектора электрической индукции D:
m
1
m
m
0
1
где Е - напряженность электрического поля между обкладками конденсатора, изменяющаяся по гармоническому закону Е=Е cos(ωt+ϕ), Е - амплитуда напряженности электрического поля между обкладками конденсатора для квазистационарного процесса , U - амплитуда напряжения на обкладках конденсатора, ε - электрическая постоянная, ε - диэлектрическая проницаемость среды, ϕ - начальная фаза.
Расчет напряженности магнитного поля Н, зависящего от регулируемой частоты колебаний ω проводился исходя из уравнения Максвелла о циркуляции напряженности магнитного поля. Для воздуха с удельной проводимостью среды σ≈0, а так же с ε≈1, μ≈1 (μ - магнитная проницаемость среды) расчетная формула примет вид:
где d - расстояние между обкладками конденсатора, r - средний радиус «пояса Роговского».
m
Расчет амплитудного значения ЭДС ξ, которое теоретически должен воспринять датчик рассчитывался согласно закону электромагнитной индукции Фарадея:
витка
0
где n - число витков в «поясе Роговского», S - площадь одного витка «пояса Роговского», r - средний радиус «пояса Роговского», μ - магнитная постоянная. Данное теоретическое значение ЭДС затем сравнивается с полученными экспериментальными результатами.
Достоинством предлагаемого прибора является точное определение характеристик электромагнитного поля, что может использоваться для демонстрации законов электродинамики.