Was ist ein Magnetometer?

Magnetometer(manchmal als "Magnetometer" geschrieben) messen Stärke und Richtung von and Magnetfeld, normalerweise in Einheiten von Tesla angegeben. Wenn metallische Gegenstände mit dem Erdmagnetfeld in Kontakt kommen oder sich ihm nähern, weisen sie magnetische Eigenschaften auf.

Bei Materialien mit einer solchen Zusammensetzung aus Metallen und metallischen Legierungen, die Elektronen und Ladungen frei fließen lassen, werden Magnetfelder abgegeben. Ein Kompass ist ein gutes Beispiel für ein metallisches Objekt, das mit dem Erdmagnetfeld in Wechselwirkung tritt, so dass die Nadel nach dem magnetischen Norden zeigt.

Magnetometer messen auch die Magnetflußdichte, die Menge des magnetischen Flusses über einen bestimmten Bereich. Sie können sich den Fluss als ein Netz vorstellen, das Wasser durchfließen lässt, wenn Sie sich in Richtung der Strömung eines Flusses neigen. Der Fluss misst, wie viel des elektrischen Feldes auf diese Weise durch ihn fließt.

Aus diesem Wert können Sie das Magnetfeld bestimmen, wenn Sie es über eine bestimmte ebene Fläche wie ein rechteckiges Blech oder ein zylindrisches Gehäuse messen. Auf diese Weise können Sie herausfinden, wie ein Magnetfeld, das eine Kraft auf ein Objekt oder ein sich bewegendes geladenes Teilchen ausübt, vom Winkel zwischen der Fläche und dem Feld abhängt.

Der Sensor eines Magnetometers erfasst die magnetische Flussdichte, die in ein magnetisches Feld umgewandelt werden kann. Forscher verwenden Magnetometer, um Eisenablagerungen in der Erde zu erkennen, indem sie das Magnetfeld messen, das von verschiedenen Gesteinsstrukturen abgegeben wird. Wissenschaftler können mit Magnetometern auch die Lage von Schiffswracks und anderen Objekten unter dem Meer oder unter der Erde bestimmen.

Ein Magnetometer kann entweder vektoriell oder skalar sein. Vektor-Magnetometer Ermitteln Sie die Flussdichte in einer bestimmten Richtung im Raum, je nachdem, wie Sie sie ausrichten. Skalare Magnetometer, andererseits nur die Größe oder Stärke des Flussvektors erkennen, nicht die Position des Winkels, unter dem er gemessen wird.

Smartphones und andere Mobiltelefone verwenden eingebaute Magnetometer, um Magnetfelder zu messen und durch den Strom vom Telefon selbst zu bestimmen, welcher Weg nach Norden ist. Normalerweise werden Smartphones mit dem Ziel entwickelt, multidimensional für die Anwendungen und Funktionen zu sein, die sie unterstützen können. Smartphones verwenden auch die Ausgabe des Beschleunigungsmessers und der GPS-Einheit eines Telefons, um den Standort und die Kompassrichtung zu bestimmen.

Diese Beschleunigungsmesser sind eingebaute Geräte, die die Position und Ausrichtung von Smartphones bestimmen können, beispielsweise die Richtung, in die Sie darauf zeigen. Diese werden in fitnessbasierten Apps und GPS-Diensten verwendet, indem sie messen, wie schnell Ihr Telefon beschleunigt. Sie arbeiten mit Sensoren mikroskopischer Kristallstrukturen, die durch Berechnung der auf sie ausgeübten Kraft präzise, ​​winzige Beschleunigungsänderungen erkennen können.

Der Chemieingenieur Bill Hammack sagte, dass Ingenieure diese Beschleunigungsmesser aus Silizium herstellen, damit sie in Smartphones sicher und stabil bleiben, während sie sich bewegen. Diese Chips haben einen Teil, der schwingt oder sich hin und her bewegt und seismische Bewegungen erkennt. Das Mobiltelefon kann die genaue Bewegung einer Silikonfolie in diesem Gerät erkennen, um die Beschleunigung zu bestimmen.

Ein Magnetometer kann in seiner Funktionsweise stark variieren. Für das einfache Beispiel eines Kompasses richtet sich die Nadel eines Kompasses nach dem Norden des Erdmagnetfeldes aus, so dass sie im Ruhezustand im Gleichgewicht ist. Das heißt, die Summe der auf ihn einwirkenden Kräfte ist null und das Gewicht der eigenen Schwerkraft des Kompasses hebt sich mit der auf ihn einwirkenden magnetischen Kraft der Erde auf. Obwohl das Beispiel einfach ist, veranschaulicht es die Eigenschaft des Magnetismus, die andere Magnetometer funktionieren lässt.

Elektronische Kompasse können anhand von Phänomenen wie dem phenomena bestimmen, welche Richtung der magnetische Norden ist Hall-Effekt, Magnetinduktion, oder Zuckerresistenz.

Der Hall-Effekt bedeutet, dass Leiter, die von elektrischen Strömen durchflossen werden, eine Spannung senkrecht zum Feld und zur Richtung des Stroms erzeugen. Das bedeutet, dass Magnetometer halbleitendes Material verwenden können, um Strom durchzulassen und festzustellen, ob ein Magnetfeld in der Nähe ist. Es misst die Art und Weise, wie der Strom aufgrund des Magnetfelds verzerrt oder abgewinkelt wird, und die Spannung, bei der dies auftritt, ist die Hallspannung, die proportional zum Magnetfeld sein sollte.

Magnetinduktion Methoden dagegen messen, wie magnetisiert ein Material ist oder wird, wenn es einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird. Dies beinhaltet die Erstellung Entmagnetisierungskurven, auch bekannt als B-H-Kurven oder Hysteresekurven, die den Magnetfluss und die Magnetkraftstärke durch ein Material messen, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt wird.

Diese Kurven ermöglichen es Wissenschaftlern und Ingenieuren, Materialien, aus denen Geräte wie Batterien und Elektromagnete bestehen, danach zu klassifizieren, wie diese Materialien auf externe Magnetfelder reagieren. Sie können bestimmen, welchen magnetischen Fluss und Kraft diese Materialien erfahren, wenn sie den äußeren Feldern ausgesetzt sind, und sie nach ihrer magnetischen Stärke klassifizieren.

Schließlich, Magnetwiderstand Methoden in Magnetometern beruhen darauf, die Fähigkeit eines Objekts zu erkennen, den elektrischen Widerstand zu ändern, wenn es einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird. Ähnlich wie Magnetinduktionstechniken nutzen Magnetometer die anisotroper Magnetowiderstand (AMR) von Ferromagneten, Materialien, die nach der Magnetisierung magnetische Eigenschaften zeigen, auch nachdem die Magnetisierung entfernt wurde.

AMR beinhaltet die Erkennung zwischen der Richtung des elektrischen Stroms und der Magnetisierung bei Vorhandensein von Magnetisierung. Dies geschieht, wenn sich die Spins der Elektronenorbitale, aus denen das Material besteht, in Gegenwart eines externen Felds neu verteilen.

Der Elektronenspin ist nicht die Art und Weise, wie sich ein Elektron tatsächlich dreht, als wäre es ein Kreisel oder eine Kugel, sondern eine intrinsische Quanteneigenschaft und eine Form des Drehimpulses. Der elektrische Widerstand hat einen maximalen Wert, wenn der Strom parallel zu einem externen Magnetfeld ist, so dass das Feld entsprechend berechnet werden kann.

Das mangetoresistive Sensoren in Magnetometern beruhen bei der Bestimmung des Magnetfelds auf fundamentalen Gesetzen der Physik. Diese Sensoren zeigen den Hall-Effekt in Gegenwart von Magnetfeldern, so dass die Elektronen in ihnen bogenförmig fließen. Je größer der Radius dieser kreisförmigen, rotierenden Bewegung ist, desto größer ist der Weg der geladenen Teilchen und desto stärker ist das Magnetfeld.

Mit zunehmenden Bogenbewegungen hat der Pfad auch einen größeren Widerstand, sodass das Gerät berechnen kann, welches Magnetfeld diese Kraft auf das geladene Teilchen ausüben würde.

Diese Berechnungen beinhalten die Ladungsträger- oder Elektronenbeweglichkeit, also wie schnell sich ein Elektron in Gegenwart eines äußeren Magnetfeldes durch ein Metall oder einen Halbleiter bewegen kann. In Anwesenheit des Hall-Effekts wird er manchmal als. bezeichnet Hallenmobilität.

Mathematisch ist die Magnetkraft F ist gleich der Ladung des Teilchens q mal das Kreuzprodukt der Teilchengeschwindigkeit v und Magnetfeld B. Es hat die Form des Lorentz-Gleichung für Magnetismus F = q (v x B) in welchem x ist das Kreuzprodukt.

•••Syed Hussain Ather

Wenn Sie das Kreuzprodukt zwischen zwei Vektoren bestimmen wollen ein und b, können Sie herausfinden, dass der resultierende Vektor c hat den Betrag des Parallelogramms, das die beiden Vektoren aufspannen. Der resultierende Kreuzproduktvektor liegt in der Richtung senkrecht zu ein und b durch die Rechte-Hand-Regel gegeben.

Die Rechte-Hand-Regel sagt Ihnen, dass, wenn Sie Ihren rechten Zeigefinger in Richtung des Vektors b und Ihren rechten Mittelfinger in Richtung des Vektors a platzieren, der resultierende Vektor c geht in Richtung Ihres rechten Daumens. Im obigen Diagramm ist die Beziehung zwischen den Richtungen dieser drei Vektoren dargestellt.

•••Syed Hussain Ather

Die Lorentz-Gleichung sagt Ihnen, dass bei einem größeren elektrischen Feld mehr elektrische Kraft auf ein sich bewegendes geladenes Teilchen im Feld ausgeübt wird. Sie können auch die drei Vektoren Magnetkraft, Magnetfeld und Geschwindigkeit des geladenen Teilchens durch eine Rechte-Hand-Regel speziell für diese Vektoren in Beziehung setzen.

Im obigen Diagramm entsprechen diese drei Größen der natürlichen Art und Weise, wie Ihre rechte Hand in diese Richtungen zeigt. Jeder Zeige- und Mittelfinger und Daumen entspricht einer der Beziehungen.

Magnetometer können auch erkennen Magnetostriktion, eine Kombination aus zwei Effekten. Der erste ist der Joule-Effekt, die Art und Weise, wie ein Magnetfeld die Kontraktion oder Ausdehnung eines physikalischen Materials verursacht. Das zweite ist das Villari-Effekt, wie sich das Material, das externen Belastungen ausgesetzt ist, in seiner Reaktion auf Magnetfelder ändert.

Verwendung eines magnetostriktiven Materials, das diese Phänomene auf leicht messbare Weise zeigt und voneinander abhängen, können Magnetometer noch genauere und genauere Messungen von magnetischen Feld. Da der magnetostriktive Effekt sehr klein ist, müssen Geräte ihn indirekt messen.

Fluxgate-Sensoren geben einem Magnetometer noch mehr Präzision bei der Erkennung von Magnetfeldern. Diese Geräte bestehen aus zwei Metallspulen mit ferromagnetischen Kernen, Materialien, die nach der Magnetisierung auch nach Entfernen der Magnetisierung magnetische Eigenschaften zeigen.

Wenn Sie den magnetischen Fluss oder das magnetische Feld bestimmen, das aus dem Kern resultiert, können Sie herausfinden, welcher Strom oder welche Stromänderung dies verursacht haben könnte. Die beiden Adern werden so nebeneinander gelegt, dass die Art und Weise, wie die Drähte um einen Kern gewickelt sind, dem anderen entspricht.

Wenn Sie einen Wechselstrom senden, der in regelmäßigen Abständen seine Richtung umkehrt, erzeugen Sie in beiden Kernen ein magnetisches Feld. Die induzierten Magnetfelder sollten sich gegenüberstehen und sich gegenseitig aufheben, wenn kein äußeres Magnetfeld vorhanden ist. Wenn ein externes Feld vorhanden ist, sättigt sich der Magnetkern als Reaktion auf dieses externe Feld. Indem Sie die Änderung des Magnetfelds oder des Flusses bestimmen, können Sie das Vorhandensein dieser externen Magnetfelder feststellen.

Die Anwendungen aller Magnetometer reichen über Disziplinen hinweg, in denen Magnetfelder relevant sind. In Produktionsanlagen und automatisierten Geräten, die metallische Geräte erstellen und bearbeiten, kann ein Magnetometer sicherstellen, dass Maschinen behalten die richtige Richtung bei, wenn sie Aktionen wie das Bohren durch Metalle oder das Schneiden von Materialien in gestalten.

Labore, die Probenmaterialien erstellen und erforschen, müssen verstehen, wie verschiedene physikalische Kräfte wie der Hall-Effekt ins Spiel kommen, wenn sie Magnetfeldern ausgesetzt sind. Sie können klassifizieren magnetische Momente B. diamagnetisch, paramagnetisch, ferromagnetisch oder antiferromagnetisch.

Diamagnetische Materialien keine oder nur wenige ungepaarte Elektronen haben, also nicht viel magnetisches Verhalten zeigen, paramagnetisch solche haben ungepaarte Elektronen, um Felder frei fließen zu lassen, ferromagnetisches Material zeigt magnetisch Eigenschaften in Gegenwart eines äußeren Feldes mit den Elektronenspins parallel zum magnetischen Domänen und antiferromagnetisch Materialien haben die Elektronenspins antiparallel zu ihnen.

Archäologen, Geologen und Forscher auf ähnlichen Gebieten können Eigenschaften von Materialien in Physik und Chemie durch Berechnungen ermitteln erfahren Sie, wie das Magnetfeld genutzt werden kann, um andere magnetische Eigenschaften zu bestimmen oder um Objekte tief unter der Erde zu lokalisieren Oberfläche. Sie können Forscher die Lage von Kohlevorkommen bestimmen und das Erdinnere kartieren lassen. Militärexperten finden diese Geräte nützlich, um U-Boote zu orten, und Astronomen finden sie nützlich, um zu untersuchen, wie Objekte im Weltraum vom Erdmagnetfeld beeinflusst werden.