Τι είναι ένα μαγνητόμετρο;

Μαγνητόμετρα(μερικές φορές γράφεται ως "μαγνητόμετρο") μετρούν τη δύναμη και την κατεύθυνση του μαγνητικό πεδίο, συνήθως δίνεται σε μονάδες τεστ. Καθώς τα μεταλλικά αντικείμενα έρχονται σε επαφή ή έρχονται κοντά στο μαγνητικό πεδίο της Γης, παρουσιάζουν μαγνητικές ιδιότητες.

Για υλικά με τέτοια σύνθεση μετάλλων και μεταλλικών κραμάτων που αφήνουν τα ηλεκτρόνια και το φορτίο να ρέουν ελεύθερα, εκπέμπονται μαγνητικά πεδία. Η πυξίδα είναι ένα καλό παράδειγμα ενός μεταλλικού αντικειμένου που έρχεται σε αλληλεπιδράσεις με το μαγνητικό πεδίο της Γης έτσι ώστε η βελόνα να δείχνει στο μαγνητικό βορρά.

Τα μαγνητόμετρα μετρούν επίσης το πυκνότητα μαγνητικής ροής, η ποσότητα μαγνητικής ροής σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Μπορείτε να σκεφτείτε τη ροή ως ένα δίχτυ που επιτρέπει στο νερό να ρέει μέσα από αυτό, εάν κάνετε γωνία προς την κατεύθυνση του ρεύματος ενός ποταμού. Η ροή μετρά πόσα ηλεκτρικά πεδία ρέουν μέσω αυτού με αυτόν τον τρόπο.

Μπορείτε να προσδιορίσετε το μαγνητικό πεδίο από αυτήν την τιμή εάν τη μετρήσετε σε μια συγκεκριμένη επίπεδη επιφάνεια, όπως ένα ορθογώνιο φύλλο ή μια κυλινδρική θήκη. Αυτό σας επιτρέπει να καταλάβετε πώς το μαγνητικό πεδίο που ασκεί δύναμη σε ένα αντικείμενο ή ένα κινούμενο φορτισμένο σωματίδιο εξαρτάται από τη γωνία μεταξύ της περιοχής και του πεδίου.

Ο αισθητήρας ενός μαγνητομέτρου ανιχνεύει την πυκνότητα μαγνητικής ροής που μπορεί να μετατραπεί σε μαγνητικό πεδίο. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν μαγνητόμετρα για να ανιχνεύσουν αποθέματα σιδήρου στη Γη μετρώντας το μαγνητικό πεδίο που εκπέμπεται από διάφορες δομές βράχου. Οι επιστήμονες μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν μαγνητόμετρα για να προσδιορίσουν τις θέσεις των ναυαγίων και άλλων αντικειμένων κάτω από τη θάλασσα ή κάτω από τη γη.

Ένα μαγνητόμετρο μπορεί να είναι διανυσματικό ή σκοτεινό. Διάνυσμα μαγνητόμετρα ανιχνεύστε την πυκνότητα ροής σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση στο διάστημα ανάλογα με τον τρόπο που το προσανατολίζετε. Βαθυμερή μαγνητόμετρα, από την άλλη πλευρά, εντοπίστε μόνο το μέγεθος ή την ισχύ του διανύσματος ροής και όχι τη θέση της γωνίας στην οποία μετράται.

Τα smartphone και άλλα κινητά τηλέφωνα χρησιμοποιούν ενσωματωμένα μαγνητόμετρα για να μετρήσουν τα μαγνητικά πεδία και να καθορίσουν ποιος τρόπος είναι βορειότερα μέσω του ρεύματος από το ίδιο το τηλέφωνο. Συνήθως τα smartphone έχουν σχεδιαστεί με σκοπό να είναι πολυδιάστατα για τις εφαρμογές και τις δυνατότητες που μπορούν να υποστηρίξουν. Τα smartphone χρησιμοποιούν επίσης την έξοδο από το επιταχυνσιόμετρο και τη μονάδα GPS ενός τηλεφώνου για να καθορίσουν τις κατευθύνσεις θέσης και πυξίδας.

Αυτά τα επιταχυνσιόμετρα είναι ενσωματωμένες συσκευές που μπορούν να καθορίσουν τη θέση και τον προσανατολισμό των έξυπνων τηλεφώνων, όπως την κατεύθυνση που το δείχνετε. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές και υπηρεσίες GPS που βασίζονται στη φυσική κατάσταση, μετρώντας πόσο γρήγορα επιταχύνεται το τηλέφωνό σας. Λειτουργούν χρησιμοποιώντας αισθητήρες μικροσκοπικών κρυσταλλικών δομών που μπορούν να ανιχνεύσουν ακριβείς, λεπτές αλλαγές στην επιτάχυνση υπολογίζοντας τη δύναμη που ασκείται πάνω τους.

Ο χημικός μηχανικός Μπιλ Χάμακ είπε ότι οι μηχανικοί δημιουργούν αυτά τα επιταχυνσιόμετρα από σιλικόνη έτσι ώστε να παραμένουν ασφαλή και σταθερά σε smartphone ενώ κινούνται. Αυτά τα τσιπ έχουν ένα μέρος που ταλαντεύεται, ή κινείται μπρος-πίσω, που ανιχνεύουν σεισμικές κινήσεις. Το κινητό τηλέφωνο μπορεί να ανιχνεύσει την ακριβή κίνηση ενός φύλλου πυριτίου σε αυτήν τη συσκευή για να προσδιορίσει την επιτάχυνση.

Ένα μαγνητόμετρο μπορεί να ποικίλλει σημαντικά στον τρόπο λειτουργίας του. Για το απλό παράδειγμα μιας πυξίδας, η βελόνα μιας πυξίδας ευθυγραμμίζεται με το βόρειο τμήμα του μαγνητικού πεδίου της Γης έτσι ώστε, όταν βρίσκεται σε ηρεμία, να βρίσκεται σε ισορροπία. Αυτό σημαίνει ότι το άθροισμα των δυνάμεων που δρουν πάνω του είναι μηδέν και το βάρος της βαρύτητας της πυξίδας ακυρώνεται με τη μαγνητική δύναμη από τη Γη που ενεργεί πάνω της. Αν και το παράδειγμα είναι απλό, απεικονίζει την ιδιότητα του μαγνητισμού που επιτρέπει σε άλλα μαγνητόμετρα να λειτουργούν.

Οι ηλεκτρονικές πυξίδες μπορούν να προσδιορίσουν ποια κατεύθυνση είναι ο μαγνητικός βορράς χρησιμοποιώντας φαινόμενα όπως το Εφέ αίθουσας, μαγνητοεπαγωγή, ή Μαγγεαπόσταση.

Το εφέ Hall σημαίνει ότι οι αγωγοί που έχουν ηλεκτρικά ρεύματα που ρέουν μέσω αυτών δημιουργούν τάση κάθετα στο πεδίο και την κατεύθυνση του ρεύματος. Αυτό σημαίνει ότι τα μαγνητόμετρα μπορούν να χρησιμοποιήσουν ημιαγωγό υλικό για να περάσουν ρεύμα και να προσδιορίσουν εάν ένα μαγνητικό πεδίο είναι κοντά. Μετρά τον τρόπο παραμόρφωσης ή γωνίας του ρεύματος λόγω του μαγνητικού πεδίου και η τάση στην οποία συμβαίνει αυτό είναι η Τάση αίθουσας, το οποίο πρέπει να είναι ανάλογο με το μαγνητικό πεδίο.

Μαγνητοπαραγωγή Οι μέθοδοι, αντιθέτως, μετρούν πόσο μαγνητισμένο είναι ένα υλικό ή γίνεται όταν εκτίθεται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Αυτό περιλαμβάνει τη δημιουργία καμπύλες απομαγνητισμού, επίσης γνωστές ως καμπύλες B-H ή καμπύλες υστέρησης, που μετρούν τη μαγνητική ροή και την ισχύ μαγνητικής δύναμης μέσω ενός υλικού όταν εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο.

Αυτές οι καμπύλες επιτρέπουν στους επιστήμονες και τους μηχανικούς να ταξινομήσουν υλικό που αποτελείται από συσκευές όπως μπαταρίες και ηλεκτρομαγνήτες ανάλογα με το πώς αυτά τα υλικά ανταποκρίνονται στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Μπορούν να προσδιορίσουν τι μαγνητική ροή και να αναγκάσουν αυτά τα υλικά να βιώσουν όταν εκτίθενται στα εξωτερικά πεδία και να τα ταξινομήσουν με μαγνητική ισχύ.

Τελικά, μαγνητική αντίσταση Οι μέθοδοι στα μαγνητόμετρα βασίζονται στην ανίχνευση της ικανότητας ενός αντικειμένου να αλλάζει ηλεκτρική αντίσταση όταν εκτίθεται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ομοίως με τις τεχνικές μαγνητοπαραγωγής, τα μαγνητόμετρα εκμεταλλεύονται το ανισοτροπική μαγνητοαντίσταση (AMR) σιδηρομαγνητών, υλικών που, αφού υποβληθούν σε μαγνητισμό, παρουσιάζουν μαγνητικές ιδιότητες ακόμη και μετά την αφαίρεση του μαγνητισμού.

Το AMR περιλαμβάνει τον εντοπισμό μεταξύ της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού ρεύματος και του μαγνητισμού παρουσία μαγνητισμού. Αυτό συμβαίνει καθώς οι περιστροφές των τροχιακών ηλεκτρονίων που συνθέτουν το υλικό αναδιανέμονται παρουσία ενός εξωτερικού πεδίου.

Η περιστροφή ηλεκτρονίων δεν είναι πώς ένα ηλεκτρόνιο περιστρέφεται σαν να ήταν περιστρεφόμενη κορυφή ή μπάλα, αλλά είναι μάλλον μια εγγενής κβαντική ιδιότητα και μια μορφή γωνιακής ορμής. Η ηλεκτρική αντίσταση έχει μια μέγιστη τιμή όταν το ρεύμα είναι παράλληλο με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο έτσι ώστε το πεδίο να μπορεί να υπολογιστεί κατάλληλα.

ο αισθητήρες μαγγεταστατικών στα μαγνητόμετρα βασίζονται σε θεμελιώδεις νόμους της φυσικής για τον προσδιορισμό του μαγνητικού πεδίου. Αυτοί οι αισθητήρες εμφανίζουν το φαινόμενο Hall παρουσία μαγνητικών πεδίων έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια μέσα τους να ρέουν σε σχήμα τόξου. Όσο μεγαλύτερη είναι η ακτίνα αυτής της κυκλικής, περιστρεφόμενης κίνησης, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαδρομή που παίρνουν τα φορτισμένα σωματίδια και τόσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο.

Με αυξανόμενες κινήσεις τόξου, η διαδρομή έχει μεγαλύτερη αντίσταση, έτσι ώστε η συσκευή να μπορεί να υπολογίσει τι είδους μαγνητικό πεδίο θα ασκήσει αυτή τη δύναμη στο φορτισμένο σωματίδιο.

Αυτοί οι υπολογισμοί περιλαμβάνουν την κινητικότητα του φορέα ή των ηλεκτρονίων, πόσο γρήγορα ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί μέσω ενός μετάλλου ή ημιαγωγού παρουσία ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Παρουσία του εφέ Hall, καλείται μερικές φορές το Κινητικότητα αιθουσών.

Μαθηματικά, η μαγνητική δύναμη φά ισούται με το φορτίο του σωματιδίου ε χρόνος το σταυροειδές προϊόν της ταχύτητας του σωματιδίου β και μαγνητικό πεδίο σι. Παίρνει τη μορφή του Εξίσωση Lorentz για μαγνητισμό F = q (β x Β) στο οποίο Χ είναι το διασταυρούμενο προϊόν.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Εάν θέλετε να προσδιορίσετε το διασταυρούμενο προϊόν μεταξύ δύο διανυσμάτων ένα και σι, μπορείτε να καταλάβετε ότι το προκύπτον διάνυσμα ντο έχει το μέγεθος του παραλληλόγραμμου που εκτείνονται οι δύο φορείς. Ο προκύπτων φορέας εγκάρσιου προϊόντος είναι προς την κατεύθυνση κάθετη προς ένα και σι δίνεται από τον δεξιό κανόνα.

Ο κανόνας του δεξιού χεριού σας λέει ότι, εάν τοποθετήσετε το δεξί σας δείκτη προς την κατεύθυνση του διανύσματος β και το δεξί μεσαίο δάχτυλό σας προς την κατεύθυνση του διανύσματος α, το προκύπτον ντο πηγαίνει προς την κατεύθυνση του δεξιού σας αντίχειρα. Στο παραπάνω διάγραμμα, εμφανίζεται η σχέση μεταξύ αυτών των τριών διανυσμάτων.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Η εξίσωση Lorentz σας λέει ότι με μεγαλύτερο ηλεκτρικό πεδίο, ασκείται περισσότερη ηλεκτρική δύναμη σε ένα κινούμενο φορτισμένο σωματίδιο στο πεδίο. Μπορείτε επίσης να συσχετίσετε τρία διανύσματα μαγνητική δύναμη, μαγνητικό πεδίο και ταχύτητα του φορτισμένου σωματιδίου μέσω ενός δεξιού κανόνα ειδικά για αυτούς τους διανύσματα.

Στο παραπάνω διάγραμμα, αυτές οι τρεις ποσότητες αντιστοιχούν στον φυσικό τρόπο που το δεξί σας χέρι δείχνει προς αυτές τις κατευθύνσεις. Κάθε δείκτης και μεσαίο δάχτυλο και αντίχειρα αντιστοιχεί σε μία από τις σχέσεις.

Τα μαγνητόμετρα μπορούν επίσης να ανιχνεύσουν μαγνητοσυστολή, ένας συνδυασμός δύο εφέ. Το πρώτο είναι το Εφέ Joule, ο τρόπος με τον οποίο ένα μαγνητικό πεδίο προκαλεί τη συστολή ή την επέκταση ενός φυσικού υλικού. Το δεύτερο είναι το Εφέ Villari, πώς το υλικό που υπόκειται σε εξωτερική τάση αλλάζει στον τρόπο με τον οποίο ανταποκρίνεται στα μαγνητικά πεδία.

Χρήση ενός μαγνητοσυσταλτικού υλικού που παρουσιάζει αυτά τα φαινόμενα με τρόπους που είναι εύκολο να μετρηθούν και εξαρτώνται το ένα από το άλλο, τα μαγνητόμετρα μπορούν να κάνουν ακόμη πιο ακριβείς και ακριβείς μετρήσεις μαγνητικών πεδίο. Επειδή το μαγνητοσυσταστικό αποτέλεσμα είναι πολύ μικρό, οι συσκευές πρέπει να το μετρήσουν έμμεσα.

Αισθητήρες Fluxgate δώστε ένα μαγνητόμετρο ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια στον εντοπισμό μαγνητικών πεδίων Αυτές οι συσκευές αποτελούνται από δύο μεταλλικά πηνία με σιδηρομαγνητικούς πυρήνες, υλικά τα οποία, αφού υποβληθούν σε μαγνητισμό, παρουσιάζουν μαγνητικές ιδιότητες ακόμη και μετά την αφαίρεση του μαγνητισμού.

Όταν προσδιορίζετε τη μαγνητική ροή ή το μαγνητικό πεδίο που προκύπτει από τον πυρήνα, μπορείτε να καταλάβετε ποιο ρεύμα ή αλλαγή στο ρεύμα μπορεί να το προκάλεσε. Οι δύο πυρήνες τοποθετούνται το ένα δίπλα στο άλλο έτσι ώστε ο τρόπος με τον οποίο τα καλώδια τυλίγονται γύρω από τον έναν πυρήνα καθρεφτίζει τον άλλο.

Όταν στέλνετε εναλλασσόμενο ρεύμα, που αντιστρέφει την κατεύθυνση του σε τακτά χρονικά διαστήματα, παράγετε ένα μαγνητικό πεδίο και στους δύο πυρήνες. Τα επαγόμενα μαγνητικά πεδία πρέπει να αντιτίθενται μεταξύ τους και να ακυρώνουν το ένα το άλλο εάν δεν υπάρχει εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Εάν υπάρχει εξωτερικός, ο μαγνητικός πυρήνας θα κορεστεί ως απόκριση σε αυτό το εξωτερικό πεδίο. Προσδιορίζοντας την αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο ή τη ροή, μπορείτε να προσδιορίσετε την παρουσία αυτών των εξωτερικών μαγνητικών πεδίων.

Οι εφαρμογές οποιουδήποτε μαγνητομέτρου κυμαίνονται σε κλάδους στους οποίους το μαγνητικό πεδίο είναι σχετικό. Στην κατασκευή εγκαταστάσεων και αυτοματοποιημένων συσκευών που δημιουργούν και λειτουργούν σε μεταλλικό εξοπλισμό, ένα μαγνητόμετρο μπορεί να το διασφαλίσει αυτό Οι μηχανές διατηρούν την κατάλληλη κατεύθυνση όταν εκτελούν ενέργειες όπως διάτρηση μετάλλων ή υλικά κοπής σχήμα.

Τα εργαστήρια που δημιουργούν και εκτελούν έρευνα σε δείγματα υλικών πρέπει να κατανοήσουν πώς διάφορες φυσικές δυνάμεις, όπως το φαινόμενο Hall, παίζονται όταν εκτίθενται σε μαγνητικά πεδία. Μπορούν να ταξινομήσουν μαγνητικές στιγμές ως διαμαγνητικά, παραμαγνητικά, σιδηρομαγνητικά ή αντι-μαγνητικά.

Διαγνωστικά υλικά δεν έχετε ή λίγα μη ζευγάρια ηλεκτρόνια, οπότε μην παρουσιάζετε πολύ μαγνητική συμπεριφορά, παραμαγνητικός αυτά έχουν αζεύγη ηλεκτρόνια για να αφήνουν τα πεδία να ρέουν ελεύθερα, το σιδηρομαγνητικό υλικό δείχνει μαγνητικό ιδιότητες παρουσία εξωτερικού πεδίου με περιστροφές ηλεκτρονίων παράλληλα με το μαγνητικό τομείς και αντι-μαγνητικά τα υλικά έχουν τις περιστροφές ηλεκτρονίων αντίθετα με αυτά.

Οι αρχαιολόγοι, οι γεωλόγοι και οι ερευνητές σε παρόμοιες περιοχές μπορούν να ανιχνεύσουν τις ιδιότητες των υλικών στη φυσική και τη χημεία με το να υπολογίσουν πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί το μαγνητικό πεδίο για τον προσδιορισμό άλλων μαγνητικών ιδιοτήτων ή για τον εντοπισμό αντικειμένων βαθιά κάτω από τη Γη επιφάνεια. Μπορούν να επιτρέψουν στους ερευνητές να προσδιορίσουν τη θέση των κοιτασμάτων άνθρακα και να χαρτογραφήσουν το εσωτερικό της Γης. Οι στρατιωτικοί επαγγελματίες βρίσκουν αυτές τις συσκευές χρήσιμες για τον εντοπισμό υποβρυχίων και οι αστρονόμοι τις βρίσκουν ωφέλιμες για να εξερευνήσουν πώς επηρεάζονται τα αντικείμενα στο διάστημα από το μαγνητικό πεδίο της Γης.