Qu'est-ce qu'un magnétomètre ?

Magnétomètres(parfois écrit comme "magnétomètre") mesure la force et la direction de champ magnétique, généralement exprimé en teslas. Lorsque les objets métalliques entrent en contact ou s'approchent du champ magnétique terrestre, ils présentent des propriétés magnétiques.

Pour les matériaux avec une telle composition de métaux et d'alliages métalliques qui laissent les électrons et les charges circuler librement, des champs magnétiques sont émis. Une boussole est un bon exemple d'un objet métallique entrant en interaction avec le champ magnétique terrestre de telle sorte que l'aiguille pointe vers le nord magnétique.

Les magnétomètres mesurent également la densité de flux magnétique, la quantité de flux magnétique sur une certaine zone. Vous pouvez considérer le flux comme un filet qui laisse l'eau s'écouler à travers si vous vous dirigez dans la direction du courant d'une rivière. Le flux mesure la quantité de champ électrique qui le traverse de cette manière.

Vous pouvez déterminer le champ magnétique à partir de cette valeur si vous le mesurez sur une surface plane spécifique telle qu'une feuille rectangulaire ou un boîtier cylindrique. Cela vous permet de comprendre comment le champ magnétique qui exerce une force sur un objet ou une particule chargée en mouvement dépend de l'angle entre la zone et le champ.

Le capteur d'un magnétomètre détecte la densité de flux magnétique qui peut être convertie en champ magnétique. Les chercheurs utilisent des magnétomètres pour détecter les dépôts de fer dans la Terre en mesurant le champ magnétique émis par diverses structures rocheuses. Les scientifiques peuvent également utiliser des magnétomètres pour déterminer l'emplacement des épaves et d'autres objets sous la mer ou sous la terre.

Un magnétomètre peut être vectoriel ou scalaire. Magnétomètres vectoriels détecter la densité de flux dans une direction spécifique dans l'espace en fonction de la façon dont vous l'orientez. Magnétomètres scalaires, d'autre part, ne détecte que l'amplitude ou la force du vecteur de flux, pas la position de l'angle auquel il est mesuré.

Les smartphones et autres téléphones portables utilisent des magnétomètres intégrés pour mesurer les champs magnétiques et déterminer dans quelle direction se trouve le nord à travers le courant du téléphone lui-même. Habituellement, les smartphones sont conçus dans le but d'être multidimensionnels pour les applications et les fonctionnalités qu'ils peuvent prendre en charge. Les smartphones utilisent également la sortie de l'accéléromètre et de l'unité GPS d'un téléphone pour déterminer l'emplacement et les directions de la boussole.

Ces accéléromètres sont des appareils intégrés qui peuvent déterminer la position et l'orientation des téléphones intelligents, comme la direction vers laquelle vous les dirigez. Ceux-ci sont utilisés dans les applications de fitness et les services GPS en mesurant la vitesse à laquelle votre téléphone accélère. Ils fonctionnent en utilisant des capteurs de structures cristallines microscopiques qui peuvent détecter des changements d'accélération précis et infimes en calculant la force exercée sur eux.

L'ingénieur chimiste Bill Hammack a déclaré que les ingénieurs créaient ces accéléromètres en silicium de manière à ce qu'ils restent sécurisés et stables dans les smartphones lorsqu'ils se déplacent. Ces puces ont une partie qui oscille, ou se déplace d'avant en arrière, qui détecte les mouvements sismiques. Le téléphone portable peut détecter le mouvement précis d'une feuille de silicium dans cet appareil pour déterminer l'accélération.

Un magnétomètre peut varier considérablement sur la façon dont il fonctionne. Pour l'exemple simple d'une boussole, l'aiguille d'une boussole s'aligne avec le nord du champ magnétique terrestre de sorte que, lorsqu'elle est au repos, elle est à l'équilibre. Cela signifie que la somme des forces agissant sur elle est nulle et que le poids de la propre gravité de la boussole s'annule avec la force magnétique de la Terre qui agit sur elle. Bien que l'exemple soit simple, il illustre la propriété du magnétisme qui permet à d'autres magnétomètres de fonctionner.

Les boussoles électroniques peuvent déterminer la direction du nord magnétique à l'aide de phénomènes tels que le effet Hall, magnétoinduction, ou alors mangetorésistance.

L'effet Hall signifie que les conducteurs traversés par des courants électriques créent une tension perpendiculaire au champ et à la direction du courant. Cela signifie que les magnétomètres peuvent utiliser un matériau semi-conducteur pour faire passer le courant et déterminer si un champ magnétique est à proximité. Il mesure la façon dont le courant est déformé ou incliné en raison du champ magnétique, et la tension à laquelle cela se produit est la Tension de Hall, qui doit être proportionnel au champ magnétique.

Magnétoinduction les méthodes, en revanche, mesurent à quel point un matériau est ou devient magnétisé lorsqu'il est exposé à un champ magnétique externe. Cela implique de créer courbes de démagnétisation, également appelées courbes B-H ou courbes d'hystérésis, qui mesurent le flux magnétique et la force magnétique à travers un matériau lorsqu'il est exposé à un champ magnétique.

Ces courbes permettent aux scientifiques et aux ingénieurs de classer les matériaux qui composent des appareils tels que les batteries et les électro-aimants en fonction de la façon dont ces matériaux réagissent au champ magnétique externe. Ils peuvent déterminer le flux magnétique et la force que subissent ces matériaux lorsqu'ils sont exposés aux champs externes et les classer par force magnétique.

Pour terminer, magnétorésistance Les méthodes utilisées dans les magnétomètres reposent sur la détection de la capacité d'un objet à modifier la résistance électrique lorsqu'il est exposé à un champ magnétique externe. De la même manière que les techniques de magnéto-induction, les magnétomètres exploitent les magnétorésistance anisotrope (AMR) des ferroaimants, des matériaux qui, après avoir été soumis à l'aimantation, présentent des propriétés magnétiques même après que l'aimantation a été supprimée.

L'AMR consiste à détecter entre la direction du courant électrique et l'aimantation en présence d'aimantation. Cela se produit lorsque les spins des orbitales électroniques qui composent le matériau se redistribuent en présence d'un champ externe.

Le spin de l'électron n'est pas la façon dont un électron tourne réellement comme s'il s'agissait d'une toupie ou d'une balle, mais plutôt d'une propriété quantique intrinsèque et d'une forme de moment angulaire. La résistance électrique a une valeur maximale lorsque le courant est parallèle à un champ magnétique externe afin que le champ puisse être calculé de manière appropriée.

le capteurs mangetorésistifs dans les magnétomètres reposent sur les lois fondamentales de la physique pour déterminer le champ magnétique. Ces capteurs présentent l'effet Hall en présence de champs magnétiques tels que les électrons qu'ils contiennent circulent en forme d'arc. Plus le rayon de ce mouvement de rotation circulaire est grand, plus le chemin emprunté par les particules chargées est grand et plus le champ magnétique est fort.

Avec des mouvements d'arc croissants, le chemin a également une plus grande résistance afin que l'appareil puisse calculer quel type de champ magnétique exercerait cette force sur la particule chargée.

Ces calculs impliquent la mobilité du porteur ou de l'électron, à quelle vitesse un électron peut se déplacer à travers un métal ou un semi-conducteur en présence d'un champ magnétique externe. En présence de l'effet Hall, on l'appelle parfois le Mobilité de la salle.

Mathématiquement, la force magnétique F est égal à la charge de la particule q temps le produit vectoriel de la vitesse de la particule v et champ magnétique B. Il prend la forme du équation de Lorentz pour le magnétisme F = q (v x B) dans lequel X est le produit croisé.

•••Syed Hussain Ather

Si vous voulez déterminer le produit croisé entre deux vecteurs une et b, vous pouvez comprendre que le vecteur résultant c a la grandeur du parallélogramme que les deux vecteurs couvrent. Le vecteur produit vectoriel résultant est dans la direction perpendiculaire à une et b donnée par la règle de la main droite.

La règle de la main droite vous dit que, si vous placez votre index droit dans la direction du vecteur b et votre majeur droit dans la direction du vecteur a, le vecteur résultant c va dans la direction de votre pouce droit. Dans le diagramme ci-dessus, la relation entre ces trois directions de vecteur est montrée.

•••Syed Hussain Ather

L'équation de Lorentz vous dit qu'avec un champ électrique plus important, il y a plus de force électrique exercée sur une particule chargée en mouvement dans le champ. Vous pouvez également relier trois vecteurs force magnétique, champ magnétique et vitesse de la particule chargée grâce à une règle de la main droite spécifiquement pour ces vecteurs.

Dans le schéma ci-dessus, ces trois quantités correspondent à la manière naturelle dont votre main droite pointe dans ces directions. Chaque index, majeur et pouce correspond à l'une des relations.

Les magnétomètres peuvent également détecter magnétostriction, une combinaison de deux effets. Le premier est le Effet Joule, la façon dont un champ magnétique provoque la contraction ou l'expansion d'un matériau physique. La seconde est la Effet Villari, comment le matériau soumis à des contraintes externes change dans la façon dont il répond aux champs magnétiques.

L'utilisation d'un matériau magnétostrictif qui présente ces phénomènes de manière facile à mesurer et dépendent les uns des autres, les magnétomètres peuvent effectuer des mesures encore plus précises et précises de domaine. L'effet magnétostrictif étant très faible, les appareils doivent le mesurer indirectement.

Capteurs Fluxgate donner à un magnétomètre encore plus de précision dans la détection des champs magnétiques. Ces dispositifs sont constitués de deux bobines métalliques avec des noyaux ferromagnétiques, des matériaux qui, après avoir été soumis à l'aimantation, présentent des propriétés magnétiques même après que l'aimantation a été supprimée.

Lorsque vous déterminez le flux magnétique ou le champ magnétique résultant du noyau, vous pouvez déterminer quel courant ou quel changement de courant pourrait l'avoir causé. Les deux noyaux sont placés l'un à côté de l'autre de sorte que la façon dont les fils sont enroulés autour d'un noyau reflète l'autre.

Lorsque vous envoyez un courant alternatif, qui inverse sa direction à intervalles réguliers, vous produisez un champ magnétique dans les deux noyaux. Les champs magnétiques induits doivent s'opposer et s'annuler s'il n'y a pas de champ magnétique extérieur. S'il y en a un externe, le noyau magnétique se saturera en réponse à ce champ externe. En déterminant le changement de champ ou de flux magnétique, vous pouvez déterminer la présence de ces champs magnétiques externes.

Les applications de tout magnétomètre s'étendent à toutes les disciplines dans lesquelles le champ magnétique est pertinent. Dans les usines de fabrication et les appareils automatisés qui créent et travaillent sur des équipements métalliques, un magnétomètre peut garantir que les machines maintiennent une direction appropriée lorsqu'elles effectuent des actions telles que percer des métaux ou couper des matériaux dans façonner.

Les laboratoires qui créent et effectuent des recherches sur des échantillons de matériaux doivent comprendre comment diverses forces physiques telles que l'effet Hall entrent en jeu lorsqu'elles sont exposées à des champs magnétiques. Ils peuvent classer moments magnétiques diamagnétique, paramagnétique, ferromagnétique ou antiferromagnétique.

Matériaux diamagnétiques n'ont pas ou peu d'électrons non appariés donc ne présentent pas beaucoup de comportement magnétique, paramagnétique ceux-ci ont des électrons non appariés pour laisser les champs s'écouler librement, le matériau ferromagnétique montre magnétique propriétés en présence d'un champ externe avec les spins des électrons parallèles au champ magnétique domaines, et antiferromagnétique les matériaux ont des spins électroniques antiparallèles.

Les archéologues, les géologues et les chercheurs dans des domaines similaires peuvent détecter les propriétés des matériaux en physique et en chimie en calculant comment le champ magnétique peut être utilisé pour déterminer d'autres propriétés magnétiques ou comment localiser des objets profondément sous la Terre surface. Ils peuvent permettre aux chercheurs de déterminer l'emplacement des gisements de charbon et de cartographier l'intérieur de la Terre. Les professionnels militaires trouvent ces appareils utiles pour localiser les sous-marins, et les astronomes les trouvent utiles pour explorer comment les objets dans l'espace sont affectés par le champ magnétique terrestre.