Mi az a magnetométer?

Magnetométerek(néha "magneto méter" néven írják) mérik az erősséget és az irányt mágneses mező, általában teslas egységekben adják meg. Amint a fémes tárgyak érintkezésbe kerülnek a Föld mágneses mezőjével vagy annak közelében vannak, mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek.

Az ilyen összetételű fémek és ötvözetek, amelyek az elektronokat és a töltést szabadon áramolják, mágneses mezőket bocsátanak ki. Az iránytű jó példa arra, hogy egy fémtárgy kölcsönhatásba lép a Föld mágneses mezőjével úgy, hogy a tű a mágneses észak felé mutat.

A magnetométerek is mérik a mágneses fluxus sűrűsége, a mágneses fluxus mennyisége egy bizonyos területen. Úgy gondolhat a fluxusra, mint egy hálóra, amely lehetővé teszi a víz áramlását rajta, ha a folyó áramlásának irányába dönt. A fluxus azt méri, hogy az elektromos mező mekkora része áramlik át rajta keresztül.

Meghatározhatja a mágneses mező formáját ebben az értékben, ha egy adott sík felületen, például téglalap alakú lapon vagy hengeres házon méri. Ez lehetővé teszi annak kitalálását, hogy a tárgy és a mozgó töltött részecske számára erőt kifejtő mágneses tér hogyan függ a terület és a mező közötti szögetől.

A mágneses mérő érzékelője érzékeli a mágneses fluxus sűrűségét, amely átalakítható mágneses mezővé. A kutatók magnetométerekkel detektálják a vas lerakódásait a Földön a kőzet különböző szerkezete által leadott mágneses mező mérésével. A tudósok magnetométerekkel is meghatározhatják a hajóroncsok és más tárgyak helyét a tenger alatt vagy a föld alatt.

A magnetométer lehet vektoros vagy skaláris. Vektor magnetométerek érzékelje a fluxus sűrűségét egy adott irányban a térben attól függően, hogy milyen irányban tájékozódik. Skaláris magnetométerekmásrészt csak a fluxusvektor nagyságát vagy erősségét érzékeli, és nem a szög helyzetét, amelynél mérik.

Az okostelefonok és más mobiltelefonok beépített magnetométerekkel mérik a mágneses mezőket, és meghatározzák, hogy a telefonból érkező áram révén melyik út van északra. Az okostelefonokat általában azzal a céllal tervezik, hogy többdimenziósak legyenek az általuk támogatható alkalmazásokhoz és funkciókhoz. Az okostelefonok a telefon gyorsulásmérőjének és GPS egységének kimenetét is felhasználják a hely és az iránytű irányainak meghatározásához.

Ezek a gyorsulásmérők olyan beépített eszközök, amelyek meghatározhatják az okostelefonok helyzetét és tájolását, például az irányt, amelyre mutat. Ezeket fitneszalapú alkalmazásokban és GPS-szolgáltatásokban használják azzal, hogy megmérik a telefon gyorsulásának sebességét. Mikroszkopikus kristályszerkezetek érzékelőinek segítségével működnek, amelyek a gyorsulás pontos, apró változásait képesek észlelni a rájuk kifejtett erő kiszámításával.

Bill Hammack vegyészmérnök elmondta, hogy a mérnökök szilíciumból készítik ezeket a gyorsulásmérőket úgy, hogy biztonságosak és stabilak maradjanak az okostelefonokban, miközben mozognak. Ezeknek a chipeknek van egy része, amely oszcillál vagy előre-hátra mozog, és amely észleli a szeizmikus mozgásokat. A mobiltelefon képes felismerni a szilíciumlap pontos mozgását ebben az eszközben a gyorsulás meghatározása érdekében.

A magnetométer nagymértékben eltérhet a működésétől. Az iránytű egyszerű példájára: az iránytű tűje úgy igazodik a Föld mágneses mezőjétől északra, hogy nyugalmi állapotában egyensúlyban van. Ez azt jelenti, hogy a rá ható erők összege nulla, és az iránytű saját gravitációjának súlya eltűnik a rá ható Föld mágneses erejével. Bár a példa egyszerű, szemlélteti a mágnesesség azon tulajdonságát, amely lehetővé teszi más magnetométerek működését.

Az elektronikus iránytűk olyan jelenségek segítségével határozhatják meg, hogy melyik irányba esik a mágneses észak Hall-effektus, mágneses bevezetés, vagy mangetorezisztencia.

A Hall-effektus azt jelenti, hogy azok a vezetők, amelyeken elektromos áram folyik át, az áram mezőjére és irányára merőleges feszültséget hoznak létre. Ez azt jelenti, hogy a magnetométerek félvezető anyagot használhatnak az áram áthaladására és annak meghatározására, hogy a mágneses mező van-e a közelben. Azt méri, hogy a mágneses mező miatti torzulás vagy szög milyen módon áramlik el, és ennek feszültsége a Csarnok feszültsége, amelynek arányosnak kell lennie a mágneses térrel.

Magnetoinduction A módszerek ezzel szemben azt mérik, hogy egy anyag mágnesezetté válik vagy mivé válik, ha külső mágneses mezőnek van kitéve. Ez magában foglalja a teremtést demagnetizációs görbék, más néven B-H görbék vagy hiszterézis görbék, amelyek mágneses mezőnek kitéve mérik a mágneses fluxust és a mágneses erő erősségét egy anyagon keresztül.

Ezek a görbék lehetővé teszik a tudósoknak és mérnököknek, hogy az eszközöket alkotó anyagokat, például az elemeket és az elektromágneseket, osztályozzák annak alapján, hogy ezek az anyagok hogyan reagálnak a külső mágneses mezőre. Meg tudják határozni, hogy ezek az anyagok milyen mágneses fluxust és erőt tapasztalnak, amikor a külső mezőknek vannak kitéve, és osztályozhatják őket a mágneses erősség szerint.

Végül, mágneses ellenállás a magnetométerekben alkalmazott módszerek azon alapulnak, hogy észlelik egy tárgy azon képességét, hogy megváltoztassa az elektromos ellenállást, ha külső mágneses mezőnek van kitéve. A magnetoindukciós technikákhoz hasonlóan a magnetométerek is kihasználják a anizotróp magnetoresistance (AMR) ferromágnesek, olyan anyagok, amelyek mágnesezésnek vetik alá, mágneses tulajdonságokat mutatnak a mágnesezés eltávolítása után is.

Az AMR magában foglalja az elektromos áram irányának és a mágnesezettség közötti detektálást mágnesezés jelenlétében. Ez akkor történik, amikor az anyagot alkotó elektronpályák pörgései újra elosztják magukat egy külső mező jelenlétében.

Az elektronpörgés nem az, ahogyan egy elektron valóban forog, mintha egy forgó csúcs vagy gömb lenne, hanem inkább belső kvantumtulajdonság és a szögimpulzus egyik formája. Az elektromos ellenállás akkor ér el maximális értéket, ha az áram párhuzamos a külső mágneses térrel, így a mező megfelelően kiszámítható.

A mangetorezisztív érzékelők a magnetométerekben a fizika alapvető törvényeire támaszkodnak a mágneses tér meghatározásakor. Ezek az érzékelők mágneses mezők jelenlétében mutatják be a Hall-hatást, így a bennük lévő elektronok ív alakjában áramlanak. Minél nagyobb ennek a körkörös, forgó mozgásnak a sugara, annál nagyobb utat tesz meg a töltött részecskék, és annál erősebb a mágneses mező.

A növekvő ívmozgásokkal az útnak nagyobb az ellenállása is, így a készülék kiszámíthatja, hogy milyen típusú mágneses mező fejtse ki ezt az erőt a töltött részecskére.

Ezek a számítások magukban foglalják a vivő vagy az elektron mobilitását, azt, hogy egy elektron milyen gyorsan mozoghat egy fémen vagy félvezetőn egy külső mágneses tér jelenlétében. A Hall-effektus jelenlétében néha ezt hívják Csarnok mobilitása.

Matematikailag a mágneses erő F egyenlő a részecske töltésével q időzíti a részecske sebességének kereszttermékét v és a mágneses mező B. A Lorentz-egyenlet a mágnességért F = q (v x B) amiben x a kereszttermék.

•••Syed Hussain Ather

Ha meg akarja határozni a két vektor kereszttermékét a és b, kitalálhatja, hogy a kapott vektor c megvan a paralelogramma nagysága, amelyet a két vektor átfed. A kapott kereszttermék vektor merőleges az irányra a és b a jobbkezes szabály adta.

A jobb oldali szabály azt mondja, hogy ha a jobb mutatóujjadat a b vektor irányába, a jobb középső ujjadat pedig az a vektor irányába helyezed, a kapott vektor c a jobb hüvelykujjad irányába megy. A fenti ábrán a három vektor irányának kapcsolata látható.

•••Syed Hussain Ather

A Lorentz-egyenlet elmondja, hogy nagyobb elektromos térrel nagyobb a mozgó töltött részecskére gyakorolt ​​elektromos erő a mezőben. Három vektor mágneses erejét, mágneses terét és a töltött részecske sebességét is kapcsolhatja egy jobbkezes szabályon keresztül, kifejezetten ezekhez a vektorokhoz.

A fenti ábrán ez a három mennyiség megfelel annak a természetes módnak, amelyet a jobb kezed mutat ezekben az irányokban. Minden mutató és középső ujj és hüvelykujj megfelel a kapcsolat egyikének.

A magnetométerek is felismerhetik magnetostrikció, két hatás kombinációja. Az első a Joule-effektus, ahogy a mágneses mező fizikai anyag összehúzódását vagy tágulását okozza. A második a Villari-effektus, hogyan változik a külső stressznek kitett anyag abban, hogy miként reagál a mágneses mezőkre.

Olyan magnetostrikciós anyag felhasználásával, amely ezeket a jelenségeket könnyen mérhető módon mutatja be egymástól függenek, a mágnesmérők még pontosabb és pontosabb mágneses méréseket végezhetnek terület. Mivel a magnetostrikciós hatás nagyon kicsi, az eszközöknek közvetett módon kell mérniük.

Fluxgate érzékelők adjon még pontosabb mágnesmérőnek a mágneses mezők észlelésében. Ezek az eszközök két fémtekercsből állnak, ferromágneses maggal, olyan anyagokból, amelyek mágnesezésnek kitéve mágneses tulajdonságokat mutatnak a mágnesezés eltávolítása után is.

Amikor meghatározza a magból származó mágneses fluxust vagy mágneses teret, kitalálhatja, hogy milyen áram vagy áramváltozás okozhatta ezt. A két magot úgy helyezzük el egymás mellett, hogy a vezetékek tekercselése az egyik mag körül tükrözi a másikat.

Amikor váltakozó áramot küld, amely szabályos időközönként megfordítja az irányát, akkor mindkét magban mágneses mező keletkezik. Az indukált mágneses mezőknek szembe kell szállniuk egymással és ki kell mondaniuk egymást, ha nincs külső mágneses mező. Ha van egy külső, akkor a mágneses mag telítődik, válaszul erre a külső mezőre. A mágneses tér vagy a fluxus változásának meghatározásával meghatározhatja ezeknek a külső mágneses mezőknek a jelenlétét.

Bármely magnetométer-tartomány alkalmazása olyan tudományterületeken, amelyekben a mágneses mező releváns. A fémes berendezéseket létrehozó és azokkal működő automatizált eszközök gyártásában a magnetométer biztosíthatja ezt a gépek megfelelő irányt tartanak, ha olyan műveleteket hajtanak végre, mint például a fémek fúrása vagy az anyagok vágása alak.

A mintaanyagokat létrehozó és kutató laboratóriumoknak meg kell érteniük, hogy a különféle fizikai erők, például a Hall-effektus miként lépnek működésbe mágneses mezők hatásának kitéve. Osztályozhatják mágneses momentumok diamagneses, paramágneses, ferromágneses vagy antiferromágneses.

Diamágneses anyagok nincs vagy kevés párosítatlan elektron van, ezért ne mutasson sok mágneses viselkedést, paramágneses ezeknek van párosítatlan elektronjuk, hogy a mezők szabadon áramolhassanak, a ferromágneses anyagok mágnesesek tulajdonságok egy külső mező jelenlétében, az elektron pedig a mágneses ponttal párhuzamosan forog domainek, és antiferromágneses az anyagokkal ellentétesen elektronpörget.

A régészek, geológusok és hasonló területek kutatói figurálás útján képesek kimutatni az anyagok tulajdonságait a fizikában és a kémia területén hogyan lehet a mágneses teret felhasználni más mágneses tulajdonságok meghatározására, vagy hogyan lehet a föld alatt mélyen található tárgyakat elhelyezni felület. Hagyhatják, hogy a kutatók meghatározzák a szénlerakódások helyét, és feltérképezzék a Föld belsejét. A katonai szakemberek hasznosnak találják ezeket az eszközöket a tengeralattjárók felkutatásához, a csillagászok pedig hasznosnak találják annak feltárását, hogy az űrben lévő tárgyakat hogyan befolyásolja a Föld mágneses tere.