Wat is een magnetometer?

Magnetometers(soms geschreven als "magnetometer") meet sterkte en richting van magnetisch veld, meestal gegeven in eenheden van teslas. Als metalen voorwerpen in contact komen met of in de buurt komen van het aardmagnetisch veld, vertonen ze magnetische eigenschappen.

Voor materialen met een dergelijke samenstelling van metalen en metaallegeringen die elektronen en lading vrijelijk laten stromen, worden magnetische velden afgegeven. Een kompas is een goed voorbeeld van een metalen voorwerp dat in interactie komt met het aardmagnetisch veld, zodat de naald naar het magnetische noorden wijst.

Magnetometers meten ook de magnetische fluxdichtheid, de hoeveelheid magnetische flux over een bepaald gebied. Je kunt flux zien als een net dat water er doorheen laat stromen als je in de richting van de stroming van een rivier draait. De flux meet hoeveel van het elektrische veld er op deze manier doorheen stroomt.

U kunt het magnetische veld van deze waarde bepalen als u het meet over een specifiek vlak oppervlak, zoals een rechthoekige plaat of een cilindrische behuizing. Hiermee kun je uitzoeken hoe het magnetische veld dat een kracht uitoefent op een object of een bewegend geladen deeltje afhangt van de hoek tussen het gebied en het veld.

De sensor van een magnetometer detecteert de magnetische fluxdichtheid die kan worden omgezet in een magnetisch veld. Onderzoekers gebruiken magnetometers om ijzerafzettingen in de aarde te detecteren door het magnetische veld te meten dat wordt afgegeven door verschillende rotsstructuren. Wetenschappers kunnen ook magnetometers gebruiken om de locaties van scheepswrakken en andere objecten onder de zee of onder de aarde te bepalen.

Een magnetometer kan vector of scalair zijn. Vector magnetometers fluxdichtheid detecteren in een specifieke richting in de ruimte, afhankelijk van hoe u deze oriënteert. Scalaire magnetometers, aan de andere kant, detecteer alleen de grootte of sterkte van de fluxvector, niet de positie van de hoek waaronder deze wordt gemeten.

Smartphones en andere mobiele telefoons gebruiken ingebouwde magnetometers om magnetische velden te meten en te bepalen welke kant het noorden is door de stroom van de telefoon zelf. Gewoonlijk zijn smartphones ontworpen met het doel multidimensionaal te zijn voor de toepassingen en functies die ze kunnen ondersteunen. Smartphones gebruiken ook de uitvoer van de versnellingsmeter en GPS-eenheid van een telefoon om de locatie en kompasrichtingen te bepalen.

Deze versnellingsmeters zijn ingebouwde apparaten die de positie en oriëntatie van smartphones kunnen bepalen, zoals de richting waarin u ze richt. Deze worden gebruikt in op fitness gebaseerde apps en GPS-services door te meten hoe snel uw telefoon accelereert. Ze werken met behulp van sensoren van microscopisch kleine kristalstructuren die nauwkeurige, minieme veranderingen in versnelling kunnen detecteren door de kracht te berekenen die erop wordt uitgeoefend.

Chemisch ingenieur Bill Hammack zei dat ingenieurs deze versnellingsmeters van silicium maken, zodat ze veilig en stabiel blijven in smartphones terwijl ze bewegen. Deze chips hebben een deel dat oscilleert, of heen en weer beweegt, dat seismische bewegingen detecteert. De mobiele telefoon kan de precieze beweging van een siliconenvel in dit apparaat detecteren om de versnelling te bepalen.

Een magnetometer kan sterk variëren over hoe het werkt. Voor het eenvoudige voorbeeld van een kompas, lijnt de naald van een kompas zichzelf uit met het noorden van het magnetische veld van de aarde, zodat het, wanneer het in rust is, in evenwicht is. Dit betekent dat de som van de krachten die erop inwerken nul is en dat het gewicht van de eigen zwaartekracht van het kompas opheft met de magnetische kracht van de aarde die erop inwerkt. Hoewel het voorbeeld eenvoudig is, illustreert het de eigenschap van magnetisme waarmee andere magnetometers kunnen werken.

Elektronische kompassen kunnen bepalen in welke richting het magnetische noorden is met behulp van fenomenen zoals de Hall-effect, magneto-inductie, of mangetoweerstand.

Het Hall-effect betekent dat geleiders waar elektrische stromen doorheen stromen een spanning creëren die loodrecht op het veld en de richting van de stroom staat. Dat betekent dat magnetometers halfgeleidend materiaal kunnen gebruiken om stroom door te laten en te bepalen of er een magnetisch veld in de buurt is. Het meet de manier waarop stroom wordt vervormd of onder een hoek staat als gevolg van het magnetische veld, en de spanning waarbij dit gebeurt is de Hall-spanning:, die evenredig moet zijn met het magnetische veld.

Magneto-inductie methoden daarentegen meten hoe gemagnetiseerd een materiaal is of wordt wanneer het wordt blootgesteld aan een extern magnetisch veld. Dit omvat het creëren van demagnetisatiecurven, ook bekend als B-H-curven of hysteresiscurven, die de magnetische flux en magnetische krachtsterkte door een materiaal meten wanneer het wordt blootgesteld aan een magnetisch veld.

Met deze curven kunnen wetenschappers en ingenieurs materiaal classificeren waaruit apparaten zoals batterijen en elektromagneten bestaan ​​op basis van hoe die materialen reageren op een extern magnetisch veld. Ze kunnen bepalen welke magnetische flux en kracht deze materialen ervaren wanneer ze worden blootgesteld aan de externe velden en ze classificeren op basis van magnetische sterkte.

Tenslotte, magnetoweerstand methoden in magnetometers zijn gebaseerd op het detecteren van het vermogen van een object om de elektrische weerstand te veranderen wanneer het wordt blootgesteld aan een extern magnetisch veld. Net als bij magneto-inductietechnieken maken magnetometers gebruik van de anisotrope magnetoweerstand (AMR) van ferromagneten, materialen die, na te zijn onderworpen aan magnetisatie, magnetische eigenschappen vertonen, zelfs nadat de magnetisatie is verwijderd.

AMR omvat het detecteren tussen de richting van elektrische stroom en magnetisatie in aanwezigheid van magnetisatie. Dit gebeurt als de spins van de elektronenorbitalen waaruit het materiaal bestaat, zich herverdelen in de aanwezigheid van een extern veld.

De elektronenspin is niet hoe een elektron daadwerkelijk draait alsof het een tol of bal is, maar is eerder een intrinsieke kwantumeigenschap en een vorm van impulsmoment. De elektrische weerstand heeft een maximale waarde wanneer de stroom evenwijdig is aan een extern magnetisch veld, zodat het veld op de juiste manier kan worden berekend.

De mangetoresistieve sensoren in magnetometers vertrouwen op fundamentele natuurkundige wetten bij het bepalen van het magnetische veld. Deze sensoren vertonen het Hall-effect in de aanwezigheid van magnetische velden, zodat de elektronen erin in een boogvorm stromen. Hoe groter de straal van deze cirkelvormige, roterende beweging, hoe groter de weg die de geladen deeltjes afleggen en hoe sterker het magnetische veld.

Bij toenemende boogbewegingen heeft het pad ook een grotere weerstand, zodat het apparaat kan berekenen welk soort magnetisch veld deze kracht op het geladen deeltje zou uitoefenen.

Deze berekeningen hebben betrekking op de drager- of elektronenmobiliteit, hoe snel een elektron door een metaal of halfgeleider kan bewegen in aanwezigheid van een extern magnetisch veld. In aanwezigheid van het Hall-effect wordt het soms het Mobiliteit van de zaal.

Wiskundig gezien is de magnetische kracht F is gelijk aan de lading van het deeltje q tijd het uitwendige product van de snelheid van het deeltje v en magnetisch veld B. Het neemt de vorm aan van de Lorentz-vergelijking voor magnetisme F = q (v x B) waarin X is het kruisproduct.

•••Syed Hussain Ather

Als u het uitwendige product tussen twee vectoren wilt bepalen een en b, kun je erachter komen dat de resulterende vector c heeft de grootte van het parallellogram dat de twee vectoren overspannen. De resulterende uitwendige productvector is in de richting loodrecht op een en b gegeven door de rechterhandregel.

De rechterhandregel zegt dat als je je rechterwijsvinger in de richting van vector b plaatst en je rechtermiddelvinger in de richting van vector a, de resulterende vector c gaat in de richting van je rechterduim. In het bovenstaande diagram wordt de relatie tussen deze drie vectorrichtingen weergegeven.

•••Syed Hussain Ather

De Lorentz-vergelijking vertelt je dat met een groter elektrisch veld er meer elektrische kracht wordt uitgeoefend op een bewegend geladen deeltje in het veld. Je kunt ook drie vectoren magnetische kracht, magnetisch veld en snelheid van het geladen deeltje relateren via een rechterhandregel die specifiek voor deze vectoren is.

In het bovenstaande diagram komen deze drie grootheden overeen met de natuurlijke manier waarop uw rechterhand in deze richtingen wijst. Elke wijs- en middelvinger en duim komt overeen met een van de relaties.

Magnetometers kunnen ook detecteren: magnetostrictie, een combinatie van twee effecten. De eerste is de Joule-effect, de manier waarop een magnetisch veld de samentrekking of uitzetting van een fysiek materiaal veroorzaakt. De tweede is de Villari-effect, hoe het materiaal dat wordt blootgesteld aan externe stress verandert in hoe het reageert op magnetische velden.

Een magnetostrictief materiaal gebruiken dat deze verschijnselen vertoont op manieren die gemakkelijk te meten zijn en van elkaar afhankelijk zijn, kunnen magnetometers nog nauwkeurigere en nauwkeurigere metingen van magnetisch uitvoeren veld. Omdat het magnetostrictieve effect erg klein is, moeten apparaten het indirect meten.

Fluxgate-sensoren geven een magnetometer nog meer precisie bij het detecteren van magnetische velden. Deze apparaten bestaan ​​uit twee metalen spoelen met ferromagnetische kernen, materialen die, na te zijn onderworpen aan magnetisatie, magnetische eigenschappen vertonen, zelfs nadat de magnetisatie is verwijderd.

Wanneer u de magnetische flux of het magnetische veld bepaalt dat het gevolg is van de kern, kunt u erachter komen welke stroom of verandering in stroom dit zou kunnen hebben veroorzaakt. De twee kernen zijn zo naast elkaar geplaatst dat de manier waarop de draden om de ene kern zijn gewikkeld, de andere weerspiegelt.

Wanneer je een wisselstroom stuurt, een die met regelmatige tussenpozen van richting verandert, wek je een magnetisch veld op in beide kernen. De geïnduceerde magnetische velden moeten tegenover elkaar staan ​​en elkaar opheffen als er geen extern magnetisch veld is. Als er een externe is, zal de magnetische kern zichzelf verzadigen als reactie op dit externe veld. Door de verandering in magnetisch veld of flux te bepalen, kun je de aanwezigheid van deze externe magnetische velden bepalen.

De toepassingen van elke magnetometer variëren in disciplines waarin magnetisch veld relevant is. In fabrieken en geautomatiseerde apparaten die metalen apparatuur maken en ermee werken, kan een magnetometer ervoor zorgen dat: machines houden de juiste richting aan wanneer ze acties uitvoeren zoals boren door metalen of snijden van materialen in vorm.

Laboratoria die onderzoek doen naar en onderzoek doen naar monstermaterialen, moeten begrijpen hoe verschillende fysieke krachten, zoals het Hall-effect, een rol spelen bij blootstelling aan magnetische velden. Ze kunnen classificeren magnetische momenten als diamagnetisch, paramagnetisch, ferromagnetisch of antiferromagnetisch.

Diamagnetische materialen geen of weinig ongepaarde elektronen hebben, dus niet veel magnetisch gedrag vertonen, paramagnetisch die hebben ongepaarde elektronen om velden vrij te laten stromen, ferromagnetisch materiaal vertoont magnetisch eigenschappen in aanwezigheid van een extern veld met de elektron spins parallel aan de magnetische domeinen, en antiferromagnetisch materialen hebben de elektronenspins antiparallel aan hen.

Archeologen, geologen en onderzoekers in vergelijkbare gebieden kunnen eigenschappen van materialen in de natuurkunde en scheikunde detecteren door uit hoe het magnetische veld kan worden gebruikt om andere magnetische eigenschappen te bepalen of hoe objecten diep onder de aarde te lokaliseren oppervlakte. Ze kunnen onderzoekers de locatie van steenkoolafzettingen laten bepalen en het binnenste van de aarde in kaart brengen. Militaire professionals vinden deze apparaten handig voor het lokaliseren van onderzeeërs, en astronomen vinden ze nuttig om te onderzoeken hoe objecten in de ruimte worden beïnvloed door het magnetische veld van de aarde.