¿Qué es un magnetómetro?

Magnetómetros(a veces escrito como "magnetómetro") mide la fuerza y ​​la dirección de campo magnético, generalmente expresado en unidades de teslas. A medida que los objetos metálicos entran en contacto o se acercan al campo magnético de la Tierra, exhiben propiedades magnéticas.

Para materiales con tal composición de metales y aleaciones metálicas que permiten que los electrones y la carga fluyan libremente, se emiten campos magnéticos. Una brújula es un buen ejemplo de un objeto metálico que interactúa con el campo magnético de la Tierra, de modo que la aguja apunta hacia el norte magnético.

Los magnetómetros también miden la densidad de flujo magnético, la cantidad de flujo magnético en un área determinada. Puede pensar en el flujo como una red que permite que el agua fluya a través de él si se inclina en la dirección de la corriente de un río. El flujo mide la cantidad de campo eléctrico que fluye a través de él de esta manera.

Puede determinar el campo magnético de este valor si lo mide sobre una superficie plana específica, como una hoja rectangular o una caja cilíndrica. Esto le permite averiguar cómo el campo magnético que ejerce una fuerza sobre un objeto o una partícula cargada en movimiento depende del ángulo entre el área y el campo.

El sensor de un magnetómetro detecta la densidad de flujo magnético que se puede convertir en campo magnético. Los investigadores utilizan magnetómetros para detectar depósitos de hierro en la Tierra midiendo el campo magnético emitido por varias estructuras de roca. Los científicos también pueden usar magnetómetros para determinar la ubicación de los naufragios y otros objetos debajo del mar o debajo de la tierra.

Un magnetómetro puede ser vectorial o escalar. Magnetómetros vectoriales detecta la densidad de flujo en una dirección específica en el espacio dependiendo de cómo lo oriente. Magnetómetros escalares, por otro lado, detecta solo la magnitud o la fuerza del vector de flujo, no la posición del ángulo en el que se mide.

Los teléfonos inteligentes y otros teléfonos celulares utilizan magnetómetros integrados para medir los campos magnéticos y determinar en qué dirección se encuentra el norte a través de la corriente del propio teléfono. Por lo general, los teléfonos inteligentes se diseñan con el propósito de ser multidimensionales para las aplicaciones y funciones que pueden admitir. Los teléfonos inteligentes también usan la salida del acelerómetro y la unidad GPS de un teléfono para determinar la ubicación y las direcciones de la brújula.

Estos acelerómetros son dispositivos integrados que pueden determinar la posición y orientación de los teléfonos inteligentes, como la dirección a la que lo apuntas. Estos se utilizan en aplicaciones basadas en fitness y servicios de GPS al medir la rapidez con la que acelera su teléfono. Funcionan mediante el uso de sensores de estructuras cristalinas microscópicas que pueden detectar cambios precisos y diminutos en la aceleración calculando la fuerza ejercida sobre ellos.

El ingeniero químico Bill Hammack dijo que los ingenieros crean estos acelerómetros a partir de silicio para que permanezcan seguros y estables en los teléfonos inteligentes mientras se mueven. Estos chips tienen una parte que oscila, o se mueve hacia adelante y hacia atrás, que detecta movimientos sísmicos. El teléfono celular puede detectar el movimiento preciso de una lámina de silicona en este dispositivo para determinar la aceleración.

Un magnetómetro puede variar mucho en su funcionamiento. Para el ejemplo simple de una brújula, la aguja de una brújula se alinea con el norte del campo magnético de la Tierra de modo que, cuando está en reposo, está en equilibrio. Esto significa que la suma de las fuerzas que actúan sobre él es cero y el peso de la propia gravedad de la brújula se cancela con la fuerza magnética de la Tierra que actúa sobre ella. Aunque el ejemplo es simple, ilustra la propiedad del magnetismo que permite que funcionen otros magnetómetros.

Las brújulas electrónicas pueden determinar en qué dirección se encuentra el norte magnético utilizando fenómenos como el efecto Hall, magnetoinducción, o mangetoresistance.

El efecto Hall significa que los conductores que tienen corrientes eléctricas que fluyen a través de ellos crean un voltaje perpendicular al campo y la dirección de la corriente. Eso significa que los magnetómetros pueden usar material semiconductor para pasar la corriente y determinar si hay un campo magnético cerca. Mide la forma en que la corriente se distorsiona o se inclina debido al campo magnético, y el voltaje al que esto ocurre es el Voltaje de pasillo, que debe ser proporcional al campo magnético.

Magnetoinducción Los métodos, por el contrario, miden qué tan magnetizado está o se vuelve un material cuando se expone a un campo magnético externo. Esto implica crear curvas de desmagnetización, también conocidas como curvas B-H o curvas de histéresis, que miden el flujo magnético y la fuerza de la fuerza magnética a través de un material cuando se expone a un campo magnético.

Estas curvas permiten a los científicos e ingenieros clasificar el material que forma dispositivos como baterías y electroimanes de acuerdo con la forma en que esos materiales responden al campo magnético externo. Pueden determinar qué flujo magnético y fuerza experimentan estos materiales cuando se exponen a los campos externos y clasificarlos por fuerza magnética.

Finalmente, magnetorresistencia Los métodos de los magnetómetros se basan en la detección de la capacidad de un objeto para cambiar la resistencia eléctrica cuando se expone a un campo magnético externo. De manera similar a las técnicas de magnetoinducción, los magnetómetros explotan la magnetorresistencia anisotrópica (AMR) de ferroimanes, materiales que, después de ser sometidos a magnetización, muestran propiedades magnéticas incluso después de que se ha eliminado la magnetización.

AMR implica detectar entre la dirección de la corriente eléctrica y la magnetización en presencia de magnetización. Esto sucede cuando los espines de los orbitales de los electrones que componen el material se redistribuyen en presencia de un campo externo.

El giro del electrón no es la forma en que un electrón gira realmente como si fuera una peonza o una bola, sino que es, más bien, una propiedad cuántica intrínseca y una forma de momento angular. La resistencia eléctrica tiene un valor máximo cuando la corriente es paralela a un campo magnético externo para que el campo se pueda calcular adecuadamente.

La sensores resistivos en magnetómetros se basan en las leyes fundamentales de la física para determinar el campo magnético. Estos sensores exhiben el efecto Hall en presencia de campos magnéticos de manera que los electrones dentro de ellos fluyen en forma de arco. Cuanto mayor sea el radio de este movimiento circular y giratorio, mayor será la trayectoria de las partículas cargadas y más fuerte será el campo magnético.

Con movimientos de arco crecientes, la trayectoria también tiene una mayor resistencia, por lo que el dispositivo puede calcular qué tipo de campo magnético ejercería esta fuerza sobre la partícula cargada.

Estos cálculos involucran la movilidad del portador o del electrón, qué tan rápido un electrón puede moverse a través de un metal o semiconductor en presencia de un campo magnético externo. En presencia del efecto Hall, a veces se le llama Salón de movilidad.

Matemáticamente, la fuerza magnética F es igual a la carga de la partícula q tiempo el producto cruzado de la velocidad de la partícula v y campo magnético B. Toma la forma de Ecuación de Lorentz para el magnetismo F = q (v x B) en el cual X es el producto cruzado.

•••Syed Hussain Ather

Si desea determinar el producto cruzado entre dos vectores a y B, puede averiguar que el vector resultante C tiene la magnitud del paralelogramo que abarcan los dos vectores. El vector de producto cruzado resultante está en la dirección perpendicular a a y B dado por la regla de la mano derecha.

La regla de la mano derecha te dice que, si colocas tu dedo índice derecho en la dirección del vector by tu dedo medio derecho en la dirección del vector a, el vector resultante C va en la dirección de su pulgar derecho. En el diagrama anterior, se muestra la relación entre las direcciones de estos tres vectores.

•••Syed Hussain Ather

La ecuación de Lorentz le dice que con un campo eléctrico mayor, se ejerce más fuerza eléctrica sobre una partícula cargada en movimiento en el campo. También puede relacionar tres vectores fuerza magnética, campo magnético y velocidad de la partícula cargada a través de una regla de la mano derecha específicamente para estos vectores.

En el diagrama anterior, estas tres cantidades corresponden a la forma natural en que su mano derecha apunta en estas direcciones. Cada dedo índice, medio y pulgar corresponde a uno de la relación.

Los magnetómetros también pueden detectar magnetostricción, una combinación de dos efectos. El primero es el Efecto Joule, la forma en que un campo magnético provoca la contracción o expansión de un material físico. El segundo es el Efecto Villari, cómo el material sometido a estrés externo cambia en cómo responde a los campos magnéticos.

Usar un material magnetoestrictivo que exhiba estos fenómenos de formas que sean fáciles de medir y dependen unos de otros, los magnetómetros pueden realizar mediciones aún más precisas y exactas de campo. Debido a que el efecto magnetoestrictivo es muy pequeño, los dispositivos deben medirlo indirectamente.

Sensores fluxgate dan a un magnetómetro aún más precisión en la detección de campos magnéticos. Estos dispositivos constan de dos bobinas metálicas con núcleos ferromagnéticos, materiales que, después de ser sometidos a magnetización, muestran propiedades magnéticas incluso después de que se haya eliminado la magnetización.

Cuando determina el flujo magnético o el campo magnético que resulta del núcleo, puede averiguar qué corriente o cambio en la corriente podría haberlo causado. Los dos núcleos se colocan uno al lado del otro de modo que la forma en que los cables se enrollan alrededor de un núcleo refleja el otro.

Cuando envía una corriente alterna, una que invierte su dirección a intervalos regulares, produce un campo magnético en ambos núcleos. Los campos magnéticos inducidos deben oponerse y anularse entre sí si no hay un campo magnético externo. Si hay uno externo, el núcleo magnético se saturará en respuesta a este campo externo. Al determinar el cambio en el campo o flujo magnético, puede determinar la presencia de estos campos magnéticos externos.

Las aplicaciones de cualquier magnetómetro abarcan disciplinas en las que el campo magnético es relevante. En plantas de fabricación y dispositivos automatizados que crean y trabajan en equipos metálicos, un magnetómetro puede garantizar que Las máquinas mantienen la dirección adecuada cuando realizan acciones como perforar metales o cortar materiales en forma.

Los laboratorios que crean y realizan investigaciones sobre materiales de muestra deben comprender cómo entran en juego diversas fuerzas físicas, como el efecto Hall, cuando se exponen a campos magnéticos. Pueden clasificar momentos magnéticos como diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos o antiferromagnéticos.

Materiales diamagnéticos tienen pocos electrones no apareados o ninguno, por lo que no exhiben mucho comportamiento magnético, paramagnético los que tienen electrones no apareados para permitir que los campos fluyan libremente, el material ferromagnético muestra propiedades en presencia de un campo externo con el electrón gira paralelo al magnético dominios, y antiferromagnético los materiales tienen espines de electrones en contra de ellos.

Los arqueólogos, geólogos e investigadores de áreas similares pueden detectar las propiedades de los materiales en física y química calculando saber cómo se puede utilizar el campo magnético para determinar otras propiedades magnéticas o cómo ubicar objetos en las profundidades de la Tierra. superficie. Pueden permitir que los investigadores determinen la ubicación de los depósitos de carbón y mapeen el interior de la Tierra. Los profesionales militares encuentran estos dispositivos útiles para localizar submarinos, y los astrónomos los encuentran beneficiosos para explorar cómo los objetos en el espacio se ven afectados por el campo magnético de la Tierra.