Che cos'è un magnetometro?

Magnetometri(a volte scritto come "magnetometro") misura la forza e la direzione di campo magnetico, solitamente espresso in unità di tesla. Quando gli oggetti metallici entrano in contatto o si avvicinano al campo magnetico terrestre, mostrano proprietà magnetiche.

Per materiali con tale composizione di metalli e leghe metalliche che lasciano fluire liberamente gli elettroni e la carica, vengono emessi campi magnetici. Una bussola è un buon esempio di un oggetto metallico che interagisce con il campo magnetico terrestre in modo tale che l'ago punti verso il nord magnetico.

I magnetometri misurano anche il densità di flusso magnetico, la quantità di flusso magnetico su una certa area. Puoi pensare al flusso come a una rete che lascia scorrere l'acqua attraverso di essa se ti muovi nella direzione della corrente di un fiume. Il flusso misura la quantità di campo elettrico che lo attraversa in questo modo.

È possibile determinare il campo magnetico da questo valore se lo si misura su una superficie piana specifica come un foglio rettangolare o una custodia cilindrica. Ciò consente di capire come il campo magnetico che esercita una forza su un oggetto o una particella carica in movimento dipende dall'angolo tra l'area e il campo.

Il sensore di un magnetometro rileva la densità del flusso magnetico che può essere convertita in campo magnetico. I ricercatori utilizzano i magnetometri per rilevare i depositi di ferro nella Terra misurando il campo magnetico emesso da varie strutture di roccia. Gli scienziati possono anche utilizzare i magnetometri per determinare le posizioni dei naufragi e di altri oggetti sotto il mare o sotto la terra.

Un magnetometro può essere vettoriale o scalare. Magnetometri vettoriali rilevare la densità di flusso in una direzione specifica nello spazio a seconda di come la si orienta. Magnetometri scalari, d'altra parte, rileva solo la grandezza o la forza del vettore di flusso, non la posizione dell'angolo con cui viene misurato.

Smartphone e altri telefoni cellulari utilizzano magnetometri integrati per misurare i campi magnetici e determinare in che direzione si trova il nord attraverso la corrente proveniente dal telefono stesso. Solitamente gli smartphone sono progettati con lo scopo di essere multidimensionali per le applicazioni e le funzionalità che possono supportare. Gli smartphone utilizzano anche l'output dell'accelerometro del telefono e dell'unità GPS per determinare la posizione e le direzioni della bussola.

Questi accelerometri sono dispositivi integrati in grado di determinare la posizione e l'orientamento degli smartphone come la direzione in cui li stai puntando. Questi vengono utilizzati nelle app basate sul fitness e nei servizi GPS misurando la velocità di accelerazione del telefono. Funzionano utilizzando sensori di strutture cristalline microscopiche in grado di rilevare cambiamenti precisi e minuti nell'accelerazione calcolando la forza esercitata su di essi.

L'ingegnere chimico Bill Hammack ha affermato che gli ingegneri creano questi accelerometri in silicio in modo che rimangano sicuri e stabili negli smartphone mentre si muovono. Questi chip hanno una parte che oscilla, o si muove avanti e indietro, che rileva i movimenti sismici. Il telefono cellulare può rilevare il movimento preciso di un foglio di silicio in questo dispositivo per determinare l'accelerazione.

Un magnetometro può variare notevolmente su come funziona. Per il semplice esempio di una bussola, l'ago di una bussola si allinea con il nord del campo magnetico terrestre in modo tale che, quando è a riposo, è in equilibrio. Ciò significa che la somma delle forze che agiscono su di essa è zero e il peso della gravità stessa della bussola si annulla con la forza magnetica della Terra che agisce su di essa. Sebbene l'esempio sia semplice, illustra la proprietà del magnetismo che consente ad altri magnetometri di funzionare.

Le bussole elettroniche possono determinare quale direzione è il nord magnetico usando fenomeni come il effetto Hall, magnetoinduzione, o mangoresistenza.

L'effetto Hall significa che i conduttori attraversati da correnti elettriche creano una tensione perpendicolare al campo e alla direzione della corrente. Ciò significa che i magnetometri possono utilizzare materiale semiconduttore per far passare la corrente e determinare se nelle vicinanze è presente un campo magnetico. Misura il modo in cui la corrente è distorta o angolata a causa del campo magnetico e la tensione alla quale ciò si verifica è la Tensione di sala, che dovrebbe essere proporzionale al campo magnetico.

Magnetoinduzione metodi, al contrario, misurano quanto un materiale è o diventa magnetizzato quando esposto a un campo magnetico esterno. Ciò comporta la creazione curve di smagnetizzazione, note anche come curve BH o curve di isteresi, che misurano il flusso magnetico e la forza della forza magnetica attraverso un materiale quando esposto a un campo magnetico.

Queste curve consentono a scienziati e ingegneri di classificare il materiale che costituisce dispositivi come batterie ed elettromagneti in base a come tali materiali rispondono al campo magnetico esterno. Possono determinare quale flusso magnetico e forza subiscono questi materiali quando esposti ai campi esterni e classificarli in base alla forza magnetica.

Finalmente, magnetoresistenza I metodi nei magnetometri si basano sul rilevamento della capacità di un oggetto di modificare la resistenza elettrica quando esposto a un campo magnetico esterno. Analogamente alle tecniche di magnetoinduzione, i magnetometri sfruttano il magnetoresistenza anisotropa (AMR) dei ferromagneti, materiali che, dopo essere stati soggetti a magnetizzazione, mostrano proprietà magnetiche anche dopo che la magnetizzazione è stata rimossa.

L'AMR implica il rilevamento tra la direzione della corrente elettrica e la magnetizzazione in presenza di magnetizzazione. Ciò accade quando gli spin degli orbitali elettronici che compongono il materiale si ridistribuiscono in presenza di un campo esterno.

Lo spin dell'elettrone non è il modo in cui un elettrone ruota effettivamente come se fosse una trottola o una palla, ma è, piuttosto, una proprietà quantistica intrinseca e una forma di momento angolare. La resistenza elettrica ha un valore massimo quando la corrente è parallela ad un campo magnetico esterno in modo che il campo possa essere calcolato opportunamente.

Il sensori mangetorisistivi nei magnetometri si basano sulle leggi fondamentali della fisica per determinare il campo magnetico. Questi sensori esibiscono l'effetto Hall in presenza di campi magnetici in modo tale che gli elettroni al loro interno scorrano ad arco. Maggiore è il raggio di questo movimento circolare e rotante, maggiore è il percorso delle particelle cariche e più forte è il campo magnetico.

Con l'aumento dei movimenti dell'arco, il percorso ha anche una maggiore resistenza, quindi il dispositivo può calcolare quale tipo di campo magnetico eserciterebbe questa forza sulla particella carica.

Questi calcoli riguardano la mobilità del portatore o dell'elettrone, la velocità con cui un elettrone può muoversi attraverso un metallo o un semiconduttore in presenza di un campo magnetico esterno. In presenza dell'effetto Hall, a volte viene chiamato il Mobilità della sala.

Matematicamente, la forza magnetica F è uguale alla carica della particella q tempo il prodotto vettoriale della velocità della particella v e campo magnetico B. Prende la forma di Equazione di Lorentz per il magnetismo F = q (v x B) in quale X è il prodotto incrociato.

•••Syed Hussain Ather

Se vuoi determinare il prodotto incrociato tra due vettori un e b, puoi capire che il vettore risultante c ha il modulo del parallelogramma su cui si estendono i due vettori. Il vettore prodotto incrociato risultante è nella direzione perpendicolare a un e b data dalla regola della mano destra.

La regola della mano destra ti dice che, se metti il ​​dito indice destro nella direzione del vettore b e il dito medio destro nella direzione del vettore a, il vettore risultante c va nella direzione del pollice destro. Nel diagramma sopra è mostrata la relazione tra queste tre direzioni del vettore.

•••Syed Hussain Ather

L'equazione di Lorentz ti dice che con un campo elettrico maggiore, c'è più forza elettrica esercitata su una particella carica in movimento nel campo. Puoi anche mettere in relazione tre vettori forza magnetica, campo magnetico e velocità della particella carica attraverso una regola della mano destra specifica per questi vettori.

Nel diagramma sopra, queste tre quantità corrispondono al modo naturale con cui la tua mano destra punta in queste direzioni. Ogni indice e medio e pollice corrisponde a una delle relazioni.

Anche i magnetometri possono rilevare magnetostrizione, una combinazione di due effetti. Il primo è il Effetto Joule, il modo in cui un campo magnetico provoca la contrazione o l'espansione di un materiale fisico. Il secondo è il Effetto Villari, come il materiale sottoposto a sollecitazioni esterne cambia nel modo in cui risponde ai campi magnetici.

Utilizzando un materiale magnetostrittivo che esibisce questi fenomeni in modi facili da misurare e dipendono l'uno dall'altro, i magnetometri possono effettuare misurazioni ancora più precise e accurate del campo magnetico campo. Poiché l'effetto magnetostrittivo è molto piccolo, i dispositivi devono misurarlo indirettamente.

Sensori Fluxgate dare a un magnetometro ancora più precisione nella rilevazione dei campi magnetici. Questi dispositivi sono costituiti da due bobine metalliche con nuclei ferromagnetici, materiali che, dopo essere stati soggetti a magnetizzazione, mostrano proprietà magnetiche anche dopo che la magnetizzazione è stata rimossa.

Quando determini il flusso magnetico o il campo magnetico che risulta dal nucleo, puoi capire quale corrente o cambiamento di corrente potrebbe averlo causato. I due nuclei sono posti uno accanto all'altro in modo tale che il modo in cui i fili sono avvolti attorno a un nucleo rispecchia l'altro.

Quando si invia una corrente alternata, che inverte la sua direzione a intervalli regolari, si produce un campo magnetico in entrambi i nuclei. I campi magnetici indotti dovrebbero opporsi e annullarsi a vicenda se non c'è campo magnetico esterno. Se ce n'è uno esterno, il nucleo magnetico si saturerà in risposta a questo campo esterno. Determinando la variazione del campo magnetico o del flusso, è possibile determinare la presenza di questi campi magnetici esterni.

Le applicazioni di qualsiasi magnetometro spaziano tra le discipline in cui il campo magnetico è rilevante. Negli impianti di produzione e nei dispositivi automatizzati che creano e lavorano su apparecchiature metalliche, un magnetometro può garantire che le macchine mantengono la direzione appropriata quando eseguono azioni come la perforazione di metalli o il taglio di materiali in forma.

I laboratori che creano ed eseguono ricerche su materiali campione devono capire come entrano in gioco varie forze fisiche come l'effetto Hall quando esposte a campi magnetici. Possono classificare momenti magnetici come diamagnetico, paramagnetico, ferromagnetico o antiferromagnetico.

Materiali diamagnetici non hanno o pochi elettroni spaiati quindi non mostrano molto comportamento magnetico, paramagnetico quelli hanno elettroni spaiati per consentire ai campi di fluire liberamente, il materiale ferromagnetico mostra magnetico proprietà in presenza di un campo esterno con l'elettrone spin parallelo al magnetico domini, e antiferromagnetico i materiali hanno gli spin dell'elettrone antiparallelo.

Archeologi, geologi e ricercatori in aree simili possono rilevare le proprietà dei materiali in fisica e chimica calcolando scoprire come il campo magnetico può essere utilizzato per determinare altre proprietà magnetiche o come individuare oggetti in profondità sotto la Terra superficie. Possono consentire ai ricercatori di determinare la posizione dei depositi di carbone e mappare l'interno della Terra. I professionisti militari trovano questi dispositivi utili per localizzare i sottomarini e gli astronomi li trovano utili per esplorare come gli oggetti nello spazio sono influenzati dal campo magnetico terrestre.