4.2.2. Приборы с использованием намагничивающихся материалов

Магнитная индукция, измеренная около длинного прямого проводника, по которому течет ток, дается выражением (3.20а). Она прямо пропорциональна току и

обратно пропорциональна расстоянию до проводника по радиусу. Базальт, использованный Покельсом [31—33], и магнитные стерженьки, введенные Фаустом и Куини [11], намагничивались, когда помещались в магнитное поле. Степень остаточной намагниченности увеличивается с увеличением напряженности приложенного магнитного поля и пропорциональна максимальной величине изменяющейся во времени индукции, поскольку индукция не меняет знака и насыщение не достигается. Эксперименты [11] показали, что по существу одинаковая остаточная намагниченность возникает в стерженьках, находившихся в импульсном токе микросекундной продолжительности и постоянном токе, величина которого равна максимуму тока в импульсе. Аналогичные результаты были получены Покельсом [32].

Магнитные стерженьки можно получить, соединяя полоски из кобальтовой стали или других намагничивающихся материалов, а также спекая порошки магнитных материалов. Обычно два стерженька помещаются на разных расстояниях от исследуемого тока, что дает возможность проводить измерения в широком интервале максимальных токов и обеспечивает постоянный контроль полученных данных. Остаточную намагниченность в магнитных стерженьках можно измерять различными заводскими или самодельными магнетометрами. Фауст и Куини сконструировали прибор, который мог измерять силу притяжения или отталкивания между стерженьком и постоянным магнитом. Они назвали эту комбинацию магнитных стерженьков и прибора для измерения остаточной намагниченности амперметром гребня волны.

Важно иметь в виду, что при помощи стерженька измеряется максимальный ток. Поскольку вспышка молнии обычно состойт из ряда импульсов, остаточная намагниченность стерженька после выдержки во вспышке молнии характеризует импульс с наибольшим максимальным током. Таким образом, статистика максимальных токов, полученная с помощью магнитных стерженьков, применима не ко всем импульсам, а лишь к импульсам с наибольшими токами. Как мы увидим в разд. 4.3, обычно первый импульс во вспышке имеет наибольший максимальный ток. Соответствующие доказательства приведены также

Нориндером и Кнудсеном [26], как это уже обсуждалось в разд. 3.9.

Вагнер и Мак-Кан [38] описали три прибора для измерений свойств молнии с использованием магнитых стерженьков: фулъхронограф, магнитный регистратор фронта волны и магнитный интегратор волны. Фульхронограф (от латинского слова fulmen - молния и греческих chronos - время и graphein - писать) состоит из алюминиевого диска с прорезями, в которые помещены магнитные стерженьки. При вращении диска каждый стерженек попадает между катушками, через которые проходит измеряемый ток молнии. За счет вращения диска и получается разрешение во времени. Максимальная разрешающая способность составляет полное время регистрации при этом — 20 мс. Вагер и Мак-Кан дали также описание фульхронографа с малой скоростью вращения. Разрешающая способность такого фульхронографа равна а время регистрации с. Одним фульхронографом можно зарегистрировать токи в интервале от 100 А до 50 кА. Широкий интервал регистрации токов достигается использованием двух различных магнитных контуров сцепления со стерженьками. Стерженьки на одной стороне алюминиевого диска применяются для регистрации тока в интервале от 1 до 50 кА, на другой стороне — в интервале от 100 А до 6 к А.

Магнитный регистратор фронта волны — это прибор, используемый для измерения эффективной скорости нарастания тока молнии. Регистратор состоит из трех контуров, каждый из которых содержит сопротивление и индуктивность, соединенные последовательно. Магнитные стерженьки располагаются вблизи каждой из трех катушек индуктивности. Три контура соединены в параллель через индуктивность, осуществляющую связь с током молнии, который необходимо измерить. Максимальный ток в каждой из параллельных -цепочек регистрируется стерженьками. Зная максимальные токи и величины в каждой из трех цепочек и используя теорию цепей, можно рассчитать эффективную скорость нарастания тока молнии. На практике регистратор используется для определения наклона прямой на графике зависимости тока от времени, проведенной через точки,

соответствующие величине тока в 10 и 90% максимальной величины.

Магнитный интегратор волны представляет собой прибор для регистрации интегрального тока молнии, т. е. перенесенного заряда. Он состоит из безиндуктивного сопротивления, через которое течет ток молнии, и катушки индуктивности, которая замкнута на это сопротивление. Для измерения максимального тока в катушке вблизи нее помещаются один или два магнитных стерженька. Мгновенное значение тока в катушке пропорционально интегралу по времени от напряжения на сопротивлении (так же, как и на катушке). Это напряжение прямо пропорционально току молнии. Такий образом, конечный максимальный ток в катушке индуктивности пропорционален общему заряду, прошедшему через сопротивление. Время, в течение которого может быть получен точный отсчет, составляет Параметром, который определяет такую инерционность, является омическое сопротивление катушки.

Прибор для измерения продолжительности тока молнии, использующийсвойства магнитных стерженьков, был описан Хилтен-Кевелиусом и Стрембергом [17]. Четыре магнитных стерженька укреплялись на стержне из диэлектрика на одинаковом расстоянии от проводника, по которому протекал ток молнии. Один из магнитных стерженьков имел обычное назначение — регистрировать максимальный ток. Каждый из трех других был окружен металлической спиралью (катушкой индуктивности), которая служила делителем магнитного потока. Постоянные времени контуров каждой катушки были различными. По измерению остаточной намагниченности каждого стерженька, учитывая постоянную времени контура можно приблизительно определить время, за которое ток уменьшается до половины максимального значения.