מהו מגנטומטר?

מגנומטרים(נכתב לפעמים כ"מטר מגנטו ") מודדים את חוזק וכיוון שדה מגנטי, ניתן בדרך כלל ביחידות טסלה. כאשר עצמים מתכתיים באים במגע עם השדה המגנטי של כדור הארץ או מתקרבים אליו, הם מציגים תכונות מגנטיות.

עבור חומרים בעלי הרכב כזה של מתכות וסגסוגות מתכתיות שמאפשרים לאלקטרונים ולמטען לזרום בחופשיות, שדות מגנטיים מוסרים. מצפן הוא דוגמה טובה לאובייקט מתכתי שנכנס לאינטראקציות עם השדה המגנטי של כדור הארץ כך שהמחט מצביעה על הצפון המגנטי.

מגנומטרים מודדים גם את צפיפות שטף מגנטית, כמות השטף המגנטי מעל אזור מסוים. אתה יכול לחשוב על שטף כמו רשת שמאפשרת לזרום מים דרכה אם אתה זווית לכיוון זרם הנהר. השטף מודד כמה מהשדה החשמלי זורם דרכו בדרך זו.

אתה יכול לקבוע את השדה המגנטי שיוצר ערך זה אם אתה מודד אותו על פני משטח מישורי ספציפי כגון יריעה מלבנית או מארז גלילי. זה מאפשר לך להבין כיצד שדה מגנטי המפעיל כוח על עצם או על חלקיק טעון נע תלוי בזווית שבין האזור לשדה.

החיישן של מד מגנטו מזהה את צפיפות השטף המגנטי הניתנת להמרה לשדה מגנטי. חוקרים משתמשים במגנטומטרים כדי לזהות משקעי ברזל בכדור הארץ על ידי מדידת השדה המגנטי שמופעל על ידי מבני סלע שונים. מדענים יכולים גם להשתמש במגנטומטרים כדי לקבוע את מיקומם של טרופות ספינות וחפצים אחרים מתחת לים או מתחת לאדמה.

מגנומטר יכול להיות וקטורי או סקלרי. מגנטומטרים וקטוריים לזהות צפיפות שטף בכיוון ספציפי בחלל בהתאם לאופן הכיוון. מגנטומטרים סקלריים, לעומת זאת, לזהות רק את גודל או וקטור השטף, ולא את מיקום הזווית בה הוא נמדד.

סמארטפונים וטלפונים סלולריים אחרים משתמשים במגנומטרים מובנים כדי למדוד שדות מגנטיים ולקבוע באיזו דרך צפונה דרך הזרם מהטלפון עצמו. בדרך כלל סמארטפונים מתוכננים במטרה להיות רב מימדי עבור היישומים והתכונות שהם יכולים לתמוך בהם. סמארטפונים משתמשים גם בפלט ממד התאוצה ומהיחידה GPS של הטלפון כדי לקבוע כיווני מיקום ומצפן.

מד תאוצה אלה הם מכשירים מובנים שיכולים לקבוע את המיקום ואת הכיוון של טלפונים חכמים, כמו הכיוון אליו אתה מכוון. אלה משמשים באפליקציות מבוססות כושר ובשירותי GPS על ידי מדידת המהירות שבה הטלפון שלך מאיץ. הם פועלים באמצעות חיישנים של מבני קריסטל מיקרוסקופיים שיכולים לזהות שינויים מדויקים ותאוצה על ידי חישוב הכוח המופעל עליהם.

מהנדס הכימיה ביל האמק אמר כי מהנדסים יוצרים מד תאוצה אלה מסיליקון כך שהם נשארים מאובטחים ויציבים בסמארטפונים בזמן שהם נעים. לשבבים אלו יש חלק המתנודד, או נע קדימה ואחורה, המזהה תנועות סייסמיות. הטלפון הסלולרי יכול לזהות את התנועה המדויקת של יריעת סיליקון במכשיר זה כדי לקבוע תאוצה.

מגנומטר יכול להשתנות במידה רבה על אופן פעולתו. לדוגמא פשוטה של ​​מצפן, המחט של המצפן מיישרת את עצמה עם צפון השדה המגנטי של כדור הארץ כך שכאשר הוא במנוחה, הוא נמצא בשיווי משקל. פירוש הדבר שסכום הכוחות הפועלים עליו הוא אפס ומשקל הכבידה של המצפן עצמו מתבטל עם הכוח המגנטי מכדור הארץ הפועל עליו. למרות שהדוגמה פשוטה, היא ממחישה את תכונת המגנטיות המאפשרת למגנומטרים אחרים לעבוד.

מצפנים אלקטרוניים יכולים לקבוע איזה כיוון הוא הצפון המגנטי באמצעות תופעות כגון אפקט הול, אינדוקציה מגנטית, או התנגדות למנגט.

אפקט הול פירושו מוליכים שזרמים חשמליים זורמים דרכם יוצרים מתח מאונך לשדה וכיוון הזרם. כלומר מגנומטרים יכולים להשתמש בחומר מוליך למחצה כדי להעביר זרם ולקבוע אם שדה מגנטי נמצא בקרבת מקום. הוא מודד את אופן המעוות או הזווית של הזרם עקב השדה המגנטי, והמתח בו זה מתרחש הוא מתח אולם, שאמור להיות פרופורציונאלי לשדה המגנטי.

אינדוקציה מגנטית לעומת זאת, שיטות מודדות עד כמה חומר ממגנט או הופך לחשיפה לשדה מגנטי חיצוני. זה כרוך ביצירה עקומות דה-מגנטיזציה, הידועים גם כעקומות B-H או עקומות היסטריה, המודדות את השטף המגנטי ואת כוח הכוח המגנטי דרך חומר כאשר הוא נחשף לשדה מגנטי.

עקומות אלה מאפשרות למדענים ומהנדסים לסווג חומר המרכיב מכשירים כמו סוללות ואלקטרומגנטים בהתאם לאופן שבו חומרים אלה מגיבים לשדה מגנטי חיצוני. הם יכולים לקבוע מה השטף המגנטי וכוח שחווים חומרים אלה כאשר הם נחשפים לשדות החיצוניים ולסווג אותם לפי חוזק מגנטי.

סוף כל סוף, התנגדות מגנטית שיטות במגנומטרים מסתמכות על גילוי יכולתו של אובייקט לשנות התנגדות חשמלית כאשר הוא נחשף לשדה מגנטי חיצוני. בדומה לטכניקות של אינדוקציה מגנטית, מגנומטרים מנצלים את התנגדות מגנטית אניסוטרופית (AMR) של פרומגנטים, חומרים שאחרי שהיו נתונים למגנטציה, הם מציגים תכונות מגנטיות גם לאחר שהמגנטציה הוסרה.

AMR כולל גילוי בין כיוון הזרם החשמלי למגנטציה בנוכחות מגנטיזציה. זה קורה כאשר הסיבובים של מסלולי האלקטרונים המרכיבים את החומר מפיצים את עצמם מחדש בנוכחות שדה חיצוני.

הסיבוב של האלקטרון אינו כפי שמסתובב האלקטרון כאילו היה סביבון או כדור, אלא הוא תכונה קוונטית מהותית וצורה של תנע זוויתי. להתנגדות החשמלית ערך מקסימלי כאשר הזרם מקביל לשדה מגנטי חיצוני, כך שניתן לחשב את השדה כראוי.

ה חיישני mangetoresistive במגנומטרים מסתמכים על חוקי היסוד של הפיזיקה בקביעת השדה המגנטי. חיישנים אלה מציגים את אפקט הול בנוכחות שדות מגנטיים כך שהאלקטרונים בתוכם זורמים בצורת קשת. ככל שרדיוס התנועה המעגלית והמסתובבת הזו גדול יותר, כך נתיב החלקיקים הטעונים גדול יותר והשדה המגנטי חזק יותר.

עם תנועות קשת הולכות וגדלות, יש לנתיב התנגדות גדולה יותר כך שהמכשיר יכול לחשב איזה סוג של שדה מגנטי יפעיל כוח זה על החלקיק הטעון.

חישובים אלה כוללים מוביל או ניידות אלקטרונים, באיזו מהירות אלקטרון יכול לנוע דרך מתכת או מוליכים למחצה בנוכחות שדה מגנטי חיצוני. בנוכחות אפקט הול, זה נקרא לפעמים ניידות באולם.

מתמטית, הכוח המגנטי F שווה למטען החלקיק ש זמן תוצר הצלב של מהירות החלקיק v ושדה מגנטי ב. זה לוקח את הצורה של משוואת לורנץ למגנטיות F = q (v x B) בו איקס הוא המוצר הצלב.

•••סייד חוסיין את'ר

אם ברצונך לקבוע את המוצר הצלב בין שני וקטורים א ו ב, אתה יכול להבין שהווקטור שנוצר ג יש את גודל המקבילית שעוברים על שני הווקטורים. וקטור הצלב הצולב המתקבל הוא בכיוון הניצב ל א ו ב ניתן על ידי הכלל הימני.

הכלל הימני אומר לך שאם אתה מציב את האצבע הימנית לכיוון וקטור b ואת האצבע האמצעית הימנית שלך לכיוון הווקטור a, הווקטור שמתקבל ג הולך לכיוון האגודל הימני שלך. בתרשים לעיל מוצג הקשר בין כיווני שלושת הווקטורים הללו.

•••סייד חוסיין את'ר

משוואת לורנץ אומרת לך שעם שדה חשמלי גדול יותר, יש יותר כוח חשמלי המופעל על חלקיק טעון נע בשטח. ניתן גם לקשר בין שלושה וקטורים כוח מגנטי, שדה מגנטי ומהירות החלקיק הטעון באמצעות כלל ימני במיוחד עבור הווקטורים הללו.

בתרשים לעיל, שלושת הכמויות הללו תואמות את הדרך הטבעית שיד ימין שלך מכוונת לכיוונים אלה. כל מגן ואצבע אמצעית ואגודל תואמים את אחד היחסים.

גם מגנטומטרים יכולים לזהות מגנטסטרקציה, שילוב של שתי אפקטים. הראשון הוא ה אפקט ג'ול, הדרך בה שדה מגנטי גורם להתכווצות או התרחבות של חומר פיזי. השנייה היא ה אפקט Villari, כיצד החומר הנתון למתח חיצוני משתנה באופן שבו הוא מגיב לשדות מגנטיים.

שימוש בחומר מגנטסטרקטיבי המציג תופעות אלו בדרכים קלות למדידה תלויים זה בזה, מגנומטרים יכולים לבצע מדידות מדויקות ומדויקות יותר של מגנטים שדה. מכיוון שהאפקט המגנסטרוסטרטיבי הוא קטן מאוד, המכשירים צריכים למדוד אותו בעקיפין.

חיישני פלוקסגייט לתת למגנומטר דיוק רב יותר בזיהוי שדות מגנטיים. התקנים אלה מורכבים משני סלילי מתכת עם ליבות פרומגנטיות, חומרים שלאחר שהיו נתונים למגנטציה, הם מציגים תכונות מגנטיות גם לאחר שהמגנטציה הוסרה.

כאשר אתה קובע את השטף המגנטי או את השדה המגנטי הנובעים מהליבה, אתה יכול להבין איזה זרם או שינוי בזרם עשוי לגרום לו. שתי הליבות מונחות זו ליד זו כך שהדרך בה חוטים חוטים סביב ליבה אחת משקפות את השנייה.

כשאתה שולח זרם חילופין, כזה שמפנה את כיוונו במרווחי זמן קבועים, אתה מייצר שדה מגנטי בשתי הליבות. השדות המגנטיים המושרים צריכים להתנגד זה לזה ולבטל זה את זה אם אין שדה מגנטי חיצוני. אם יש אחד חיצוני, הגרעין המגנטי ישבע את עצמו בתגובה לשדה חיצוני זה. על ידי קביעת השינוי בשדה המגנטי או השטף, אתה יכול לקבוע את נוכחותם של שדות מגנטיים חיצוניים אלה.

היישומים של כל מגנטומטר נעים בין תחומים בהם שדה מגנטי רלוונטי. במפעלי ייצור ומכשירים אוטומטיים היוצרים ועובדים על ציוד מתכתי, מגנומטר יכול להבטיח זאת מכונות שומרות על כיוון מתאים כאשר הן מבצעות פעולות כגון קידוח דרך מתכות או חיתוך חומרים לתוכנה צוּרָה.

מעבדות היוצרות ומבצעות מחקר על חומרים לדוגמא צריכות להבין כיצד כוחות פיזיקליים שונים כמו אפקט הול נכנסים לפעולה כאשר הם נחשפים לשדות מגנטיים. הם יכולים לסווג רגעים מגנטיים כמו דיאמגנטית, פרמגנטית, פרומגנטית או אנטי-מגנטית.

חומרים דיאמגנטיים אין להם או מעט אלקטרונים לא מזוודים ולכן אל תציג התנהגות מגנטית רבה, פרמגנטית לאלה יש אלקטרונים לא מזווגים המאפשרים לשדות לזרום בחופשיות, חומר פרומגנטי מראה מגנטי מאפיינים בנוכחות שדה חיצוני כאשר האלקטרון מסתובב במקביל למגנטי תחומים, ו אנטי-מגנטית לחומרים שהאלקטרון מסתובב אליהם כנגד מקביל.

ארכיאולוגים, גיאולוגים וחוקרים באזורים דומים יכולים לזהות תכונות של חומרים בפיזיקה וכימיה על ידי גילוי לבדוק כיצד ניתן להשתמש בשדה המגנטי לקביעת מאפיינים מגנטיים אחרים או כיצד לאתר עצמים הנמצאים עמוק מתחת לכדור הארץ משטח. הם יכולים לאפשר לחוקרים לקבוע את מיקומם של מרבצי הפחם ולמפות את פנים כדור הארץ. אנשי מקצוע צבאיים מוצאים מכשירים אלה שימושיים לאיתור צוללות, ואסטרונומים מוצאים אותם מועילים לבדיקת האופן שבו מושפעים האובייקטים בחלל מהשדה המגנטי של כדור הארץ.