Mikä on magnetometri?

Magnetometrit(joskus kirjoitettu nimellä "magneettomittari") mittaa voimaa ja suuntaa magneettikenttä, yleensä yksikköinä teslas. Kun metalliesineet joutuvat kosketuksiin maapallon magneettikentän kanssa tai ovat lähellä sitä, niillä on magneettisia ominaisuuksia.

Materiaaleille, joiden koostumus on sellainen metallien ja metalliseosten suhteen, jotka antavat elektronien ja varauksen virrata vapaasti, magneettikentät annetaan pois. Kompassi on hyvä esimerkki metalliesineestä, joka tulee vuorovaikutukseen maapallon magneettikentän kanssa siten, että neula osoittaa magneettista pohjoista kohti.

Magnetometrit mittaavat myös magneettivuon tiheys, magneettivuon määrä tietyllä alueella. Voit ajatella virtausta verkoksi, joka antaa veden virrata sen läpi, jos kulma joen virtauksen suuntaan. Vuo mittaa kuinka suuri osa sähkökentästä virtaa sen läpi tällä tavalla.

Voit määrittää magneettikentän muodon tästä arvosta, jos mitat sen tietylle tasaiselle pinnalle, kuten suorakulmaiselle levylle tai lieriömäiselle kotelolle. Tämän avulla voit selvittää, kuinka esineeseen tai liikkuvaan varautuneeseen hiukkaseen voimaa kohdistava magneettikenttä riippuu alueen ja kentän välisestä kulmasta.

Magnetomittarin anturi havaitsee magneettivuon tiheyden, joka voidaan muuntaa magneettikentäksi. Tutkijat havaitsevat magneettimittareilla rautakerroksia maapallolla mittaamalla kiven erilaisten rakenteiden lähettämän magneettikentän. Tutkijat voivat myös käyttää magnetometrejä määrittelemään haaksirikkojen ja muiden esineiden sijainnin meren tai maan alla.

Magnetometri voi olla joko vektori tai skalaari. Vektori magnetometrit havaita vuon tiheys tietyssä suunnassa avaruudessa sen mukaan, miten suuntaat sen. Skalaariset magnetometrit, toisaalta, havaitse vain vuovektorin suuruus tai vahvuus, ei kulman sijaintia, jolla se mitataan.

Älypuhelimet ja muut matkapuhelimet käyttävät sisäänrakennettuja magneettimittareita mittaamaan magneettikenttiä ja määrittämään, kumpi tie on pohjoiseen puhelimen virran läpi. Yleensä älypuhelimet on suunniteltu moniulotteisiksi niiden tukemien sovellusten ja ominaisuuksien kannalta. Älypuhelimet käyttävät myös puhelimen kiihtyvyysmittarin ja GPS-yksikön lähtöä sijainnin ja kompassin suunnan määrittämiseen.

Nämä kiihtyvyysmittarit ovat sisäänrakennettuja laitteita, jotka voivat määrittää älypuhelinten sijainnin ja suunnan, kuten suunnan, johon osoitat sitä. Näitä käytetään kuntoon perustuvissa sovelluksissa ja GPS-palveluissa mittaamalla, kuinka nopeasti puhelimesi kiihtyy. He työskentelevät käyttämällä mikroskooppisten kristallirakenteiden antureita, jotka voivat havaita tarkat, pienet muutokset kiihtyvyydessä laskemalla niihin kohdistuva voima.

Kemianinsinööri Bill Hammack sanoi, että insinöörit luovat nämä kiihtyvyysmittarit piistä siten, että ne pysyvät turvallisina ja vakaina älypuhelimissa liikkuessaan. Näillä siruilla on värähtelevä tai edestakaisin liikkuva osa, joka havaitsee seismiset liikkeet. Matkapuhelin voi havaita piilevyn tarkan liikkeen tässä laitteessa kiihtyvyyden määrittämiseksi.

Magnetometri voi vaihdella suuresti sen toiminnan suhteen. Yksinkertaisesta esimerkistä kompassista kompassin neula kohdistuu maapallon magneettikentän pohjoispuolelle siten, että lepotilassa se on tasapainossa. Tämä tarkoittaa sitä, että siihen vaikuttavien voimien summa on nolla ja kompassin oman painovoiman paino kumoutuu siihen vaikuttavan maapallon magneettisen voiman kanssa. Vaikka esimerkki on yksinkertainen, se kuvaa magnetismin ominaisuutta, joka antaa muiden magnetometrien toimia.

Elektroniset kompassit voivat määrittää magneettisen pohjoisen suunnan käyttämällä ilmiöitä, kuten Hall-ilmiö, magnetoinduktiotai mangetoresistenssi.

Hall-ilmiö tarkoittaa johtimia, joiden läpi kulkee sähkövirta, luovat jännitteen kohtisuoraan virran kenttään ja suuntaan. Tämä tarkoittaa, että magnetometrit voivat käyttää puolijohtavaa materiaalia virran kulkemiseen ja sen määrittämiseen, onko magneettikenttä lähellä. Se mittaa virran vääristymistä tai kulmaa magneettikentän vuoksi, ja jännite, jolla tämä tapahtuu, on Hallin jännite, jonka tulisi olla verrannollinen magneettikenttään.

Magneettijohdanto menetelmät sen sijaan mittaavat kuinka magnetoitunut materiaali on tai siitä tulee, kun se altistetaan ulkoiselle magneettikentälle. Tähän sisältyy luominen demagnetointikäyrät, tunnetaan myös nimellä B-H-käyrät tai hystereesikäyrät, jotka mittaavat magneettivuon ja magneettisen voiman voimakkuuden materiaalin läpi altistettaessa magneettikentälle.

Nämä käyrät antavat tutkijoiden ja insinöörien luokitella laitteita, kuten paristoja ja sähkömagneetteja, muodostavan materiaalin sen mukaan, miten nämä materiaalit reagoivat ulkoiseen magneettikenttään. He voivat määrittää, minkä magneettivuon ja voiman nämä materiaalit kokevat altistuessaan ulkoisille kentille, ja luokitella ne magneettisen voimakkuuden mukaan.

Lopuksi, magnetoresistanssi magnetometrien menetelmät perustuvat havaitsemaan kohteen kyky muuttaa sähkövastusta altistuessaan ulkoiselle magneettikentälle. Samoin kuin magnetoinduktiotekniikoissa, magnetometrit hyödyntävät anisotrooppinen magnetoresistanssi (AMR) ferromagneetteja, materiaaleja, jotka magnetoitumisen jälkeen osoittavat magneettisia ominaisuuksia senkin jälkeen, kun magnetointi on poistettu.

AMR sisältää sähkövirran suunnan ja magnetoinnin havaitsemisen magnetoitumisen läsnä ollessa. Tämä tapahtuu, kun materiaalin muodostavien elektronipyörähdysten pyörii jakautuu uudelleen ulkoisen kentän läsnä ollessa.

Elektronien pyöriminen ei ole se, miten elektroni todella pyörii ikään kuin se olisi pyörivä yläosa tai pallo, vaan pikemminkin sisäinen kvanttiominaisuus ja kulmamomentin muoto. Sähkövastuksella on suurin arvo, kun virta on yhdensuuntainen ulkoisen magneettikentän kanssa, jotta kenttä voidaan laskea asianmukaisesti.

mangetoresistiiviset anturit Magneettimittareissa magneettikentän määrityksessä vedotaan fysiikan peruslakeihin. Nämä anturit osoittavat Hall-vaikutusta magneettikenttien läsnä ollessa siten, että niiden sisällä olevat elektronit virtaavat kaarimuodossa. Mitä suurempi tämän pyöreän, pyörivän liikkeen säde on, sitä suurempi polku varautuneiden hiukkasten kulkee ja sitä voimakkaampi magneettikenttä.

Kasvavien kaariliikkeiden myötä polulla on myös suurempi vastus, joten laite voi laskea, millainen magneettikenttä kohdistaisi tämän voiman varattuun hiukkaseen.

Nämä laskelmat sisältävät kantajan tai elektronin liikkuvuuden, kuinka nopeasti elektroni voi liikkua metallin tai puolijohteen läpi ulkoisen magneettikentän läsnä ollessa. Hall-efektin läsnä ollessa sitä kutsutaan joskus Hallin liikkuvuus.

Matemaattisesti magneettinen voima F on yhtä suuri kuin hiukkasen varaus q aika hiukkasen nopeuden ristitulo v ja magneettikenttä B. Se on muodossa Lorentz-yhtälö magnetismille F = q (v x B) jossa x on ristituote.

•••Syed Hussain Ather

Jos haluat määrittää kahden vektorin ristitulon a ja b, voit selvittää, että tuloksena oleva vektori c on suunnassa, jonka molemmat vektorit ulottuvat. Tuloksena oleva ristituotevektori on kohtisuorassa suuntaan a ja b oikean käden sääntö.

Oikeanpuoleinen sääntö kertoo, että jos asetat oikean etusormesi vektorin b suuntaan ja oikean keskisormesi vektorin a suuntaan, tuloksena oleva vektori c menee oikean peukalon suuntaan. Yllä olevassa kaaviossa näiden kolmen vektorin suuntien suhde on esitetty.

•••Syed Hussain Ather

Lorentz-yhtälö kertoo sinulle, että suuremmalla sähkökentällä kentällä liikkuvaan varautuneeseen hiukkaseen kohdistuu enemmän sähkövoimaa. Voit myös yhdistää kolmen vektorin magneettisen voiman, magneettikentän ja varatun hiukkasen nopeuden oikeanpuoleisen säännön avulla nimenomaan näille vektoreille.

Yllä olevassa kaaviossa nämä kolme määrää vastaavat luonnollista tapaa, jolla oikea kätesi osoittaa näihin suuntiin. Jokainen etu- ja keskisormi ja peukalo vastaavat yhtä suhdetta.

Magnetometrit voivat myös havaita magnetostriktio, kahden vaikutuksen yhdistelmä. Ensimmäinen on Joule-vaikutus, tapa, jolla magneettikenttä aiheuttaa fyysisen materiaalin supistumisen tai laajenemisen. Toinen on Villarin vaikutus, kuinka ulkoiselle rasitukselle alttiina oleva materiaali muuttuu, miten se reagoi magneettikenttiin.

Käyttämällä magnetostriktiivistä materiaalia, joka osoittaa nämä ilmiöt helposti mitattavissa olevilla tavoilla riippuvat toisistaan, magnetometrit voivat tehdä vielä tarkempia ja tarkempia magneettimittauksia ala. Koska magnetostriktiivinen vaikutus on hyvin pieni, laitteiden on mitattava se epäsuorasti.

Fluxgate-anturit antaa magnetometrille entistä tarkempaa magneettikenttien havaitsemista. Nämä laitteet koostuvat kahdesta metallikäämisestä, joissa on ferromagneettiset ytimet, materiaaleista, jotka magnetoinnin jälkeen osoittavat magneettisia ominaisuuksia myös sen jälkeen, kun magnetointi on poistettu.

Kun määrität ytimestä johtuvan magneettivuon tai magneettikentän, voit selvittää, mikä virta tai muuttunut virta on saattanut aiheuttaa sen. Nämä kaksi ydintä on sijoitettu vierekkäin siten, että johtojen käämitys yhden ytimen ympärille peilaa toista.

Kun lähetät vaihtovirtaa, joka kääntää suunnansa säännöllisin väliajoin, tuotat magneettikentän molempiin ytimiin. Indusoitujen magneettikenttien tulisi vastustaa toisiaan ja poistaa toisistaan, jos ulkoista magneettikenttää ei ole. Jos on ulkoinen, magneettinen ydin kyllästyy itsensä vastauksena tähän ulkoiseen kenttään. Määrittämällä magneettikentän tai vuon muutoksen voit määrittää näiden ulkoisten magneettikenttien läsnäolon.

Minkä tahansa magnetometrialueen sovellukset tieteenaloilla, joilla magneettikentällä on merkitystä. Magneettimittari voi varmistaa, että metallilaitteita luovat ja niitä käyttävät automatisoidut laitteet ja laitteet koneet pitävät oikeaa suuntaa, kun ne suorittavat esimerkiksi porausta metallien läpi tai leikkaamalla materiaaleja muoto.

Laboratorioiden, jotka luovat ja suorittavat näytemateriaalien tutkimusta, on ymmärrettävä, kuinka erilaiset fyysiset voimat, kuten Hall-ilmiö, tulevat esiin altistettaessa magneettikentille. He voivat luokitella magneettiset hetket diamagneettisena, paramagneettisena, ferromagneettisena tai antiferromagneettisena.

Diamagneettiset materiaalit sinulla ei ole tai on vain vähän parittomia elektroneja, joten älä näytä paljon magneettista käyttäytymistä, paramagneettinen yhdellä on parittomia elektroneja päästämään kentät vapaasti virtaamaan, ferromagneettinen materiaali näyttää magneettiselta ominaisuudet ulkoisen kentän läsnä ollessa elektronin pyöriessä magneettisen suuntaisesti verkkotunnukset ja antiferromagneettinen materiaaleissa elektronin pyörii vasta-suuntaisesti.

Arkeologit, geologit ja vastaavien alueiden tutkijat voivat havaita fysiikan ja kemian materiaalien ominaisuuksia havainnollistamalla kuinka magneettikenttää voidaan käyttää muiden magneettisten ominaisuuksien määrittämiseen tai kuinka esineiden sijoittaminen syvälle maapallon alle pinta. He voivat antaa tutkijoiden määrittää hiiliesiintymien sijainnin ja kartoittaa maapallon sisäpuolta. Sotilasammattilaiset pitävät näitä laitteita hyödyllisinä sukellusveneiden paikantamiseen, ja tähtitieteilijät pitävät niitä hyödyllisinä tutkimaan, kuinka avaruuden esineisiin vaikuttaa maapallon magneettikenttä.