Hva er et magnetometer?

Magnetometre(noen ganger skrevet som "magnetometer") måler styrke og retning av magnetfelt, vanligvis gitt i enheter av teslas. Når metallgjenstander kommer i kontakt med eller kommer nær jordens magnetfelt, har de magnetiske egenskaper.

For materialer med en slik sammensetning av metaller og metalllegeringer som lar elektroner og lade strømme fritt, blir magnetfelt avgitt. Et kompass er et godt eksempel på en metallgjenstand som kommer i interaksjoner med jordens magnetfelt slik at nålen peker mot det magnetiske nord.

Magnetometre måler også magnetisk flytdensitet, mengden magnetisk strømning over et bestemt område. Du kan tenke på fluks som et nett som lar vann strømme gjennom det hvis du vinkler i retning av en elves strøm. Fluxen måler hvor mye av det elektriske feltet som strømmer gjennom det på denne måten.

Du kan bestemme magnetfeltet fra denne verdien hvis du måler den over en bestemt plan overflate, for eksempel et rektangulært ark eller et sylindrisk tilfelle. Dette lar deg finne ut hvordan magnetfelt som utøver en kraft på en gjenstand eller en beveget ladet partikkel, avhenger av vinkelen mellom området og feltet.

Sensoren til en magnetometer registrerer den magnetiske flytdensiteten som kan konverteres til magnetfelt. Forskere bruker magnetometre for å oppdage jernforekomster i jorden ved å måle magnetfeltet gitt av forskjellige bergarter. Forskere kan også bruke magnetometre for å bestemme plasseringen av skipsvrak og andre gjenstander under havet eller under jorden.

Et magnetometer kan enten være vektor eller skalar. Vektormagnetometre oppdage flytdensitet i en bestemt retning i rommet, avhengig av hvordan du orienterer den. Skalarmagnetometrederimot, oppdager bare størrelsen eller styrken til fluksvektoren, ikke posisjonen til vinkelen den måles med.

Smarttelefoner og andre mobiltelefoner bruker innebygde magnetometre for å måle magnetfelt og bestemme hvilken vei som er nord gjennom strømmen fra selve telefonen. Vanligvis er smarttelefoner designet med det formål å være flerdimensjonale for applikasjonene og funksjonene de kan støtte. Smarttelefoner bruker også utdataene fra telefonens akselerometer og GPS-enhet for å bestemme retninger for plassering og kompass.

Disse akselerometrene er innebygde enheter som kan bestemme posisjonen og retningen til smarttelefoner, for eksempel retningen du peker på. Disse brukes i treningsbaserte apper og GPS-tjenester ved å måle hvor raskt telefonen akselererer. De fungerer ved å bruke sensorer av mikroskopiske krystallstrukturer som kan oppdage presise, små endringer i akselerasjon ved å beregne kraften som utøves på dem.

Kjemisk ingeniør Bill Hammack sa at ingeniører lager disse akselerometrene av silisium slik at de forblir sikre og stabile i smarttelefoner mens de beveger seg. Disse sjetongene har en del som svinger, eller beveger seg frem og tilbake, som oppdager seismiske bevegelser. Mobiltelefonen kan oppdage den nøyaktige bevegelsen til et silisiumark i denne enheten for å bestemme akselerasjonen.

Et magnetometer kan variere sterkt på hvordan det fungerer. For det enkle eksemplet på et kompass, justerer nålen til et kompass seg nord for jordens magnetfelt slik at når det er i ro, er det i likevekt. Dette betyr at summen av kreftene som virker på den er null, og vekten av kompassets egen tyngdekraft avbrytes med magnetkraften fra jorden som virker på den. Selv om eksemplet er enkelt, illustrerer det egenskapen til magnetisme som lar andre magnetometre fungere.

Elektroniske kompasser kan bestemme hvilken retning som er magnetisk nord ved hjelp av fenomener som Hall-effekt, magnetinduksjon, eller mangetoresistance.

Hall-effekten betyr at ledere som har elektriske strømmer som strømmer gjennom dem, skaper en spenning vinkelrett på feltets retning og retning. Det betyr at magnetometre kan bruke halvledende materiale til å føre strøm gjennom og bestemme om et magnetfelt er i nærheten. Den måler måten strømmen er forvrengt eller vinklet på grunn av magnetfeltet, og spenningen som dette skjer er Hall spenning, som skal være proporsjonal med magnetfeltet.

Magnetoinduksjon metoder, derimot, måler hvor magnetisert et materiale er eller blir når det utsettes for et eksternt magnetfelt. Dette innebærer å skape demagnetiseringskurver, også kjent som B-H-kurver eller hysteresekurver, som måler magnetisk strømning og magnetisk kraftstyrke gjennom et materiale når det utsettes for et magnetfelt.

Disse kurvene lar forskere og ingeniører klassifisere materiale som utgjør enheter som batterier og elektromagneter i henhold til hvordan disse materialene reagerer på eksternt magnetfelt. De kan bestemme hvilken magnetisk strømning og styrke disse materialene opplever når de utsettes for de eksterne feltene og klassifisere dem etter magnetisk styrke.

Endelig, magnetoresistance metoder i magnetometre er avhengige av å oppdage et objekts evne til å endre elektrisk motstand når det utsettes for et eksternt magnetfelt. På samme måte som magnetinduksjonsteknikker utnytter magnetometre anisotropisk magnetoresistance (AMR) av ferromagneter, materialer som, etter å ha blitt utsatt for magnetisering, viser magnetiske egenskaper selv etter at magnetiseringen er fjernet.

AMR innebærer å oppdage mellom retningen av elektrisk strøm og magnetisering i nærvær av magnetisering. Dette skjer når spinnene til elektronorbitalene som utgjør materialet, fordeler seg selv i nærvær av et eksternt felt.

Elektronspinnet er ikke hvordan et elektron faktisk spinner som om det var en snurreplate eller en ball, men er snarere en iboende kvanteegenskap og en form for vinkelmoment. Den elektriske motstanden har en maksimal verdi når strømmen er parallell med et eksternt magnetfelt, slik at feltet kan beregnes riktig.

De mangetoresistive sensorer i magnetometre stole på grunnleggende fysikklover for å bestemme magnetfeltet. Disse sensorene viser Hall-effekten i nærvær av magnetfelt slik at elektronene i dem flyter i en bueform. Jo større radius på denne sirkulære, roterende bevegelsen, jo større vei de ladede partiklene tar og jo sterkere magnetfeltet.

Med økende buebevegelser har banen også større motstand, slik at enheten kan beregne hva slags magnetfelt som vil utøve denne kraften på den ladede partikkelen.

Disse beregningene involverer bærer eller elektronmobilitet, hvor raskt et elektron kan bevege seg gjennom et metall eller halvleder i nærvær av et eksternt magnetfelt. I nærvær av Hall-effekten kalles det noen ganger Hall mobilitet.

Matematisk, den magnetiske kraften F er lik partikkelens ladning q tid kryssproduktet av partikkelens hastighet v og magnetfelt B. Det tar form av Lorentz ligning for magnetisme F = q (v x B) der x er kryssproduktet.

•••Syed Hussain Ather

Hvis du vil bestemme kryssproduktet mellom to vektorer en og b, kan du finne ut at den resulterende vektoren c har størrelsen på parallellogrammet som de to vektorene spenner over. Den resulterende kryssproduktvektoren er i retningen vinkelrett på en og b gitt av høyrehåndsregelen.

Høyre-regelen forteller deg at hvis du plasserer høyre pekefinger i retning av vektor b og høyre langfinger i retning av vektor a, blir den resulterende vektoren c går i retning av høyre tommel. I diagrammet ovenfor er forholdet mellom disse tre vektorens retninger vist.

•••Syed Hussain Ather

Lorentz-ligningen forteller deg at med større elektrisk felt utøves mer elektrisk kraft på en beveget ladet partikkel i feltet. Du kan også relatere tre vektorer magnetisk kraft, magnetfelt og hastighet av den ladede partikkelen gjennom en høyre regel spesielt for disse vektorene.

I diagrammet ovenfor tilsvarer disse tre størrelsene den naturlige måten din høyre hånd peker i disse retningene. Hver pekefinger og langfinger og tommel tilsvarer en av forholdet.

Magnetometre kan også oppdage magnetostriksjon, en kombinasjon av to effekter. Den første er Joule-effekt, slik et magnetfelt forårsaker sammentrekning eller utvidelse av et fysisk materiale. Den andre er Villari-effekt, hvordan materialet utsatt for ytre spenninger endrer seg i hvordan det reagerer på magnetfelt.

Ved hjelp av et magnetostriktivt materiale som viser disse fenomenene på måter som er enkle å måle og avhengig av hverandre, kan magnetometre gjøre enda mer presise og nøyaktige målinger av magnetiske felt. Fordi den magnetostriktive effekten er veldig liten, må enhetene måle den indirekte.

Fluxgate sensorer gi et magnetometer enda mer presisjon i å oppdage magnetfelt. Disse enhetene består av to metallspoler med ferromagnetiske kjerner, materialer som, etter å ha blitt utsatt for magnetisering, viser magnetiske egenskaper selv etter at magnetiseringen er fjernet.

Når du bestemmer magnetstrømmen eller magnetfeltet som oppstår fra kjernen, kan du finne ut hvilken strøm eller endret strøm som kan ha forårsaket det. De to kjernene er plassert ved siden av hverandre slik at ledningene vikles rundt den ene kjernen, speiler den andre.

Når du sender en vekselstrøm, en som reverserer retningen med jevne mellomrom, produserer du et magnetfelt i begge kjernene. De induserte magnetfeltene skal stå imot hverandre og avbryte hverandre hvis det ikke er noe eksternt magnetfelt. Hvis det er en ekstern, vil den magnetiske kjernen mette seg selv som svar på dette eksterne feltet. Ved å bestemme endringen i magnetfelt eller flux, kan du bestemme tilstedeværelsen av disse eksterne magnetfeltene.

Anvendelsene av ethvert magnetometer spenner over fagområder der magnetfelt er relevant. I produksjonsanlegg og automatiserte enheter som lager og jobber med metallutstyr, kan et magnetometer sikre det maskiner holder riktig retning når de utfører handlinger som å bore gjennom metaller eller skjære materialer inn i form.

Laboratorier som lager og utfører forskning på prøvematerialer, må forstå hvordan forskjellige fysiske krefter som Hall-effekten spiller inn når de blir utsatt for magnetfelt. De kan klassifisere magnetiske øyeblikk som diamagnetisk, paramagnetisk, ferromagnetisk eller antiferromagnetisk.

Diamagnetiske materialer har ingen eller få ukoblede elektroner, så ikke utvis mye magnetisk oppførsel, paramagnetisk de har ikke parrede elektroner for å la felt flyte fritt, ferromagnetisk materiale viser magnetisk egenskaper i nærvær av et eksternt felt med elektronen spinner parallelt med magnetiske domener, og antiferromagnetisk materialer har elektronet spinner antiparallell mot dem.

Arkeologer, geologer og forskere i lignende områder kan oppdage materialegenskaper i fysikk og kjemi ved å finne ut ut hvordan magnetfeltet kan brukes til å bestemme andre magnetiske egenskaper eller hvordan du finner gjenstander dypt under jordens flate. De kan la forskere bestemme plasseringen av kullforekomster og kartlegge jordens indre. Militære fagpersoner finner disse enhetene nyttige for lokalisering av ubåter, og astronomer synes det er gunstig for å utforske hvordan gjenstander i rommet påvirkes av jordens magnetfelt.