Hvad er et magnetometer?

Magnetometre(undertiden skrevet som "magnetometer") måler styrke og retning af magnetfelt, normalt givet i enheder af teslas. Da metalgenstande kommer i kontakt med eller kommer tæt på Jordens magnetfelt, udviser de magnetiske egenskaber.

For materialer med en sådan sammensætning af metaller og metalliske legeringer, der lader elektroner og ladning strømme frit, afgives magnetfelter. Et kompas er et godt eksempel på en metalgenstand, der kommer i interaktion med jordens magnetfelt, således at nålen peger mod det magnetiske nord.

Magnetometre måler også magnetisk fluxdensitet, mængden af ​​magnetisk flux over et bestemt område. Du kan tænke på flux som et net, der lader vand strømme gennem det, hvis du vinkler i retning af en flods strøm. Fluxen måler, hvor meget af det elektriske felt, der strømmer gennem det på denne måde.

Du kan bestemme magnetfeltet fra denne værdi, hvis du måler det over en bestemt plan overflade, såsom et rektangulært ark eller et cylindrisk tilfælde. Dette giver dig mulighed for at finde ud af, hvordan magnetfelt, der udøver en kraft på en genstand eller en bevægelig ladet partikel, afhænger af vinklen mellem området og feltet.

Sensoren på en magnetometer registrerer den magnetiske fluxdensitet, der kan konverteres til magnetfelt. Forskere bruger magnetometre til at detektere jernaflejringer i Jorden ved at måle magnetfeltet, der afgives af forskellige stenstrukturer. Forskere kan også bruge magnetometre til at bestemme placeringen af ​​skibsvrag og andre objekter under havet eller under jorden.

Et magnetometer kan enten være vektor eller skalar. Vektormagnetometre detektere fluxdensitet i en bestemt retning i rummet afhængigt af hvordan du orienterer den. Skalar magnetometrepå den anden side detekterer kun størrelsen eller styrken af ​​fluxvektoren, ikke den vinkelposition, som den måles med.

Smartphones og andre mobiltelefoner bruger indbyggede magnetometre til at måle magnetfelter og bestemme, hvilken vej der er nord gennem strømmen fra selve telefonen. Normalt er smartphones designet med det formål at være flerdimensionelle til de applikationer og funktioner, de kan understøtte. Smartphones bruger også output fra en telefons accelerometer og GPS-enhed til at bestemme placerings- og kompasretninger.

Disse accelerometre er indbyggede enheder, der kan bestemme placeringen og orienteringen af ​​smartphones såsom den retning, som du peger på den. Disse bruges i fitness-baserede apps og GPS-tjenester ved at måle, hvor hurtigt din telefon accelererer. De arbejder ved hjælp af sensorer af mikroskopiske krystalstrukturer, der kan registrere præcise, små ændringer i acceleration ved at beregne den kraft, der udøves på dem.

Kemisk ingeniør Bill Hammack sagde, at ingeniører opretter disse accelerometre ud af silicium, så de forbliver sikre og stabile i smartphones, mens de bevæger sig. Disse chips har en del, der svinger eller bevæger sig frem og tilbage, der registrerer seismiske bevægelser. Mobiltelefonen kan registrere den nøjagtige bevægelse af et siliciumark i denne enhed for at bestemme accelerationen.

Et magnetometer kan variere meget, hvordan det fungerer. For det enkle eksempel på et kompas, justerer nålen på et kompas sig med den nordlige del af Jordens magnetfelt, så det er i ligevægt, når det er i ro. Dette betyder, at summen af ​​kræfterne, der virker på det, er nul, og vægten af ​​kompassets egen tyngdekraft fjernes med den magnetiske kraft fra jorden, der virker på det. Selvom eksemplet er simpelt, illustrerer det egenskaben ved magnetisme, der lader andre magnetometre arbejde.

Elektroniske kompasser kan bestemme, hvilken retning det magnetiske nord er ved hjælp af fænomener som f.eks Hall-effekt, magnetinduktion, eller mangetoresistance.

Hall-effekten betyder, at ledere, der har elektriske strømme, der strømmer igennem dem, skaber en spænding vinkelret på strømens felt og retning. Det betyder, at magnetometre kan bruge halvledende materiale til at føre strøm igennem og bestemme, om et magnetfelt er i nærheden. Det måler den måde, hvorpå strøm er forvrænget eller vinklet på grund af magnetfeltet, og den spænding, som dette sker, er Hall spænding, som skal være proportional med magnetfeltet.

Magnetoinduktion metoder måler derimod, hvor magnetiseret et materiale er eller bliver, når det udsættes for et eksternt magnetfelt. Dette indebærer at skabe demagnetiseringskurver, også kendt som B-H-kurver eller hysteresekurver, der måler magnetisk flux og magnetisk kraftstyrke gennem et materiale, når det udsættes for et magnetfelt.

Disse kurver lader forskere og ingeniører klassificere materiale, der udgør enheder som batterier og elektromagneter efter, hvordan disse materialer reagerer på eksternt magnetfelt. De kan bestemme, hvilken magnetisk flux og tvinge disse materialer oplever, når de udsættes for de eksterne felter og klassificere dem efter magnetisk styrke.

Langt om længe, magnetoresistance metoder i magnetometre er afhængige af at detektere et objekts evne til at ændre elektrisk modstand, når det udsættes for et eksternt magnetfelt. På samme måde som magnetinduktionsteknikker udnytter magnetometre anisotropisk magnetoresistance (AMR) af ferromagneter, materialer, der, efter at være udsat for magnetisering, viser magnetiske egenskaber, selv efter magnetiseringen er blevet fjernet.

AMR involverer detektering mellem retningen af ​​elektrisk strøm og magnetisering i nærvær af magnetisering. Dette sker, når spins på elektronorbitaler, der udgør materialet, fordeler sig selv i nærvær af et eksternt felt.

Elektron spin er ikke, hvordan en elektron rent faktisk drejer som om det var en roterende top eller kugle, men er snarere en iboende kvanteegenskab og en form for vinkelmoment. Den elektriske modstand har en maksimal værdi, når strømmen er parallel med et eksternt magnetfelt, så feltet kan beregnes korrekt.

Det mangetoresistive sensorer i magnetometre stole på grundlæggende fysiske love ved bestemmelse af magnetfelt. Disse sensorer udviser Hall-effekten i nærvær af magnetfelter, således at elektronerne i dem flyder i en bueform. Jo større radius af denne cirkulære, roterende bevægelse er, jo større er stien, de ladede partikler tager, og desto stærkere er magnetfeltet.

Med stigende buebevægelser har stien også en større modstand, så enheden kan beregne, hvilken slags magnetfelt der vil udøve denne kraft på den ladede partikel.

Disse beregninger involverer bæreren eller elektronmobiliteten, hvor hurtigt en elektron kan bevæge sig gennem et metal eller en halvleder i nærvær af et eksternt magnetfelt. I nærværelse af Hall-effekten kaldes det undertiden Hall mobilitet.

Matematisk, den magnetiske kraft F er lig med ladning af partiklen q tid krydsproduktet af partikelens hastighed v og magnetfelt B. Det tager form af Lorentz ligning til magnetisme F = q (v x B) hvori x er krydsproduktet.

•••Syed Hussain Ather

Hvis du vil bestemme krydsproduktet mellem to vektorer -en og b, kan du finde ud af, at den resulterende vektor c har størrelsen af ​​parallelogrammet, som de to vektorer spænder over. Den resulterende krydsproduktvektor er i retningen vinkelret på -en og b givet af højrehåndsreglen.

Højre-reglen fortæller dig, at hvis du placerer din højre pegefinger i retning af vektor b og din højre langfinger i retning af vektor a, den resulterende vektor c går i retning af din højre tommelfinger. I diagrammet ovenfor vises forholdet mellem disse tre vektors retninger.

•••Syed Hussain Ather

Lorentz-ligningen fortæller dig, at med større elektrisk felt udøves der mere elektrisk kraft på en bevægelig ladet partikel i marken. Du kan også relatere tre vektorer magnetisk kraft, magnetfelt og hastighed af den ladede partikel gennem en højre håndregel specifikt til disse vektorer.

I ovenstående diagram svarer disse tre størrelser til den naturlige måde, som din højre hånd peger i disse retninger. Hver pegefinger og langfinger og tommelfinger svarer til et af forholdet.

Magnetometre kan også registrere magnetostriktion, en kombination af to effekter. Den første er Joule-effekt, hvordan et magnetfelt forårsager sammentrækning eller udvidelse af et fysisk materiale. Den anden er Villari-effekt, hvordan materialet udsat for ekstern stress ændrer sig i, hvordan det reagerer på magnetfelter.

Brug af et magnetostriktivt materiale, der udviser disse fænomener på måder, der er lette at måle og afhænger af hinanden, kan magnetometre foretage endnu mere præcise og nøjagtige målinger af magnetiske Mark. Fordi den magnetostriktive effekt er meget lille, skal enheder måle den indirekte.

Fluxgate sensorer give et magnetometer endnu mere præcision i detektering af magnetfelter. Disse enheder består af to metalspoler med ferromagnetiske kerner, materialer, der efter at være udsat for magnetisering viser magnetiske egenskaber, selv efter at magnetiseringen er fjernet.

Når du bestemmer den magnetiske flux eller det magnetiske felt, der stammer fra kernen, kan du finde ud af, hvilken strøm eller ændret strøm der kan have forårsaget det. De to kerner er placeret ved siden af ​​hinanden, så den måde, hvorpå ledningerne er viklet rundt om den ene kerne, spejler den anden.

Når du sender en vekselstrøm, der vender sin retning med regelmæssige intervaller, producerer du et magnetfelt i begge kerner. De inducerede magnetfelter skal modsætte sig hinanden og annullere hinanden, hvis der ikke er noget eksternt magnetfelt. Hvis der er en ekstern, vil den magnetiske kerne mætte sig selv som reaktion på dette eksterne felt. Ved at bestemme ændringen i magnetfelt eller flux kan du bestemme tilstedeværelsen af ​​disse eksterne magnetfelter.

Anvendelserne af ethvert magnetometer spænder over discipliner, hvor magnetfelt er relevant. I produktionsanlæg og automatiserede enheder, der opretter og arbejder på metaludstyr, kan et magnetometer sikre det maskiner opretholder en passende retning, når de udfører handlinger såsom at bore gennem metaller eller skære materialer i form.

Laboratorier, der opretter og udfører forskning på prøvematerialer, skal forstå, hvordan forskellige fysiske kræfter såsom Hall-effekten kommer i spil, når de udsættes for magnetfelter. De kan klassificere magnetiske øjeblikke som diamagnetisk, paramagnetisk, ferromagnetisk eller antiferromagnetisk.

Diamagnetiske materialer har ingen eller få ikke-parrede elektroner, så udvis ikke meget magnetisk opførsel, paramagnetisk de har ikke parrede elektroner, der lader felter flyde frit, ferromagnetisk materiale viser magnetisk egenskaber i nærvær af et eksternt felt med elektronen, der drejer parallelt med det magnetiske domæner og antiferromagnetisk materialer har elektronen spinder antiparallel til dem.

Arkæologer, geologer og forskere i lignende områder kan registrere egenskaber ved materialer i fysik og kemi ved at finde ud af ud, hvordan magnetfeltet kan bruges til at bestemme andre magnetiske egenskaber, eller hvordan man lokaliserer objekter dybt under jordens overflade. De kan lade forskere bestemme placeringen af ​​kulaflejringer og kortlægge jordens indre. Militære fagfolk finder disse enheder nyttige til lokalisering af ubåde, og astronomer finder dem gavnlige til at udforske, hvordan objekter i rummet påvirkes af jordens magnetfelt.