Co to jest magnetometr?

Magnetometry(czasami pisany jako „magnetometr”) mierzy siłę i kierunek pole magnetyczne, zwykle podawane w jednostkach tesla. Gdy obiekty metalowe stykają się z polem magnetycznym Ziemi lub zbliżają się do niego, wykazują właściwości magnetyczne.

W przypadku materiałów o takim składzie metali i stopów metali, które pozwalają na swobodny przepływ elektronów i ładunków, wydzielają się pola magnetyczne. Kompas jest dobrym przykładem metalowego obiektu wchodzącego w interakcje z polem magnetycznym Ziemi w taki sposób, że igła wskazuje północ magnetyczną.

Magnetometry mierzą również gęstość strumienia magnetycznego, wielkość strumienia magnetycznego na określonym obszarze. Możesz myśleć o strumieniu jako o sieci, która przepuszcza wodę, jeśli ustawisz się pod kątem w kierunku nurtu rzeki. Strumień mierzy, jaka część pola elektrycznego przepływa przez niego w ten sposób.

Możesz określić pole magnetyczne z tej wartości, mierząc je na określonej płaskiej powierzchni, takiej jak prostokątny arkusz lub cylindryczna obudowa. Pozwala to określić, w jaki sposób pole magnetyczne wywierające siłę na obiekt lub poruszającą się naładowaną cząsteczkę zależy od kąta między obszarem a polem.

Czujnik magnetometru wykrywa indukcję magnetyczną, którą można przetworzyć na pole magnetyczne. Naukowcy wykorzystują magnetometry do wykrywania osadów żelaza na Ziemi, mierząc pole magnetyczne wydzielane przez różne struktury skalne. Naukowcy mogą również używać magnetometrów do określania lokalizacji wraków statków i innych obiektów pod wodą lub pod ziemią.

Magnetometr może być wektorowy lub skalarny. Magnetometry wektorowe wykrywaj gęstość strumienia w określonym kierunku w przestrzeni w zależności od tego, jak ją zorientujesz. Magnetometry skalarne, z drugiej strony, wykrywa tylko wielkość lub siłę wektora strumienia, a nie położenie kąta, pod którym jest mierzony.

Smartfony i inne telefony komórkowe używają wbudowanych magnetometrów do pomiaru pól magnetycznych i określania kierunku na północ przez prąd z samego telefonu. Zazwyczaj smartfony są projektowane z myślą o wielowymiarowości aplikacji i funkcji, które mogą obsługiwać. Smartfony wykorzystują również dane wyjściowe z akcelerometru telefonu i urządzenia GPS do określania lokalizacji i kierunków kompasu.

Te akcelerometry to wbudowane urządzenia, które mogą określać położenie i orientację smartfonów, na przykład kierunek, w którym je kierujesz. Są one używane w aplikacjach fitness i usługach GPS, mierząc, jak szybko przyspiesza Twój telefon. Pracują, wykorzystując czujniki mikroskopijnych struktur krystalicznych, które mogą wykrywać precyzyjne, drobne zmiany przyspieszenia, obliczając wywieraną na nie siłę.

Inżynier chemik Bill Hammack powiedział, że inżynierowie tworzą te akcelerometry z krzemu, dzięki czemu pozostają bezpieczne i stabilne w smartfonach podczas ruchu. Te chipy mają część, która oscyluje lub porusza się tam iz powrotem, wykrywając ruchy sejsmiczne. Telefon komórkowy może wykryć precyzyjny ruch arkusza krzemowego w tym urządzeniu, aby określić przyspieszenie.

Magnetometr może się znacznie różnić pod względem sposobu działania. Dla prostego przykładu kompasu, igła kompasu ustawia się w linii z północą pola magnetycznego Ziemi tak, że gdy jest w spoczynku, jest w równowadze. Oznacza to, że suma sił działających na niego wynosi zero, a ciężar własnej grawitacji kompasu znosi się z siłą magnetyczną Ziemi, która na niego działa. Chociaż przykład jest prosty, ilustruje właściwość magnetyzmu, która umożliwia działanie innym magnetometrom.

Kompasy elektroniczne mogą określić, w którym kierunku jest północ magnetyczna, wykorzystując zjawiska takie jak Efekt Halla, magnetoindukcja, lub odporność mangetra.

Efekt Halla oznacza, że ​​przewodniki, przez które przepływa prąd elektryczny, wytwarzają napięcie prostopadłe do pola i kierunku prądu. Oznacza to, że magnetometry mogą wykorzystywać materiał półprzewodnikowy do przepuszczania prądu i określania, czy w pobliżu znajduje się pole magnetyczne. Mierzy sposób, w jaki prąd jest zniekształcony lub ustawiony pod kątem z powodu pola magnetycznego, a napięcie, przy którym to następuje, to Napięcie Halla, który powinien być proporcjonalny do pola magnetycznego.

Magnetoindukcja metody natomiast mierzą stopień namagnesowania materiału pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Wiąże się to z tworzeniem krzywe rozmagnesowania, znane również jako krzywe B-H lub krzywe histerezy, które mierzą strumień magnetyczny i siłę siły magnetycznej przez materiał wystawiony na działanie pola magnetycznego.

Krzywe te pozwalają naukowcom i inżynierom klasyfikować materiały, z których składają się urządzenia, takie jak baterie i elektromagnesy, na podstawie reakcji tych materiałów na zewnętrzne pole magnetyczne. Mogą określić, jakiego strumienia magnetycznego i siły doświadczają te materiały pod wpływem pól zewnętrznych i sklasyfikować je według siły magnetycznej.

Wreszcie, magnetooporność Metody stosowane w magnetometrach polegają na wykrywaniu zdolności obiektu do zmiany rezystancji elektrycznej pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Podobnie jak techniki magnetoindukcyjne, magnetometry wykorzystują magnetooporność anizotropowa (AMR) ferromagnetyków, czyli materiałów, które po namagnesowaniu wykazują właściwości magnetyczne nawet po usunięciu namagnesowania.

AMR polega na wykrywaniu pomiędzy kierunkiem prądu elektrycznego a namagnesowaniem w obecności namagnesowania. Dzieje się tak, gdy spiny orbitali elektronowych tworzących materiał redystrybuują się w obecności pola zewnętrznego.

Spin elektronu nie jest tym, jak elektron faktycznie wiruje, jakby był wirującym bączkiem lub kulą, ale jest raczej wewnętrzną właściwością kwantową i formą momentu pędu. Rezystancja elektryczna ma maksymalną wartość, gdy prąd jest równoległy do ​​zewnętrznego pola magnetycznego, dzięki czemu można je odpowiednio obliczyć.

czujniki mangetorezystancyjne w magnetometrach polegają na podstawowych prawach fizyki przy wyznaczaniu pola magnetycznego. Czujniki te wykazują efekt Halla w obecności pól magnetycznych, tak że elektrony w nich przepływają w kształcie łuku. Im większy promień tego kolistego, wirującego ruchu, tym większą drogę pokonują naładowane cząstki i tym silniejsze jest pole magnetyczne.

Wraz ze wzrostem ruchu łuku ścieżka ma również większy opór, dzięki czemu urządzenie może obliczyć, jaki rodzaj pola magnetycznego wywrze tę siłę na naładowaną cząstkę.

Obliczenia te obejmują ruchliwość nośnika lub elektronu, jak szybko elektron może poruszać się przez metal lub półprzewodnik w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. W obecności efektu Halla jest on czasami nazywany Mobilność hali.

Matematycznie siła magnetyczna fa jest równy ładunkowi cząstki q czas iloczynu poprzecznego prędkości cząstki v i pole magnetyczne b. Przybiera formę Równanie Lorentza dla magnetyzmu F = q (v x B) w którym x jest produktem krzyżowym.

•••Syed Hussain Ather

Jeśli chcesz wyznaczyć iloczyn krzyżowy między dwoma wektorami za i b, możesz się domyślić, że otrzymany wektor do ma wielkość równoległoboku, który obejmują oba wektory. Otrzymany wektor iloczynu krzyżowego jest w kierunku prostopadłym do za i b podane przez regułę prawej ręki.

Reguła prawej ręki mówi, że jeśli umieścisz prawy palec wskazujący w kierunku wektora b, a prawy palec środkowy w kierunku wektora a, otrzymany wektor do idzie w kierunku prawego kciuka. Na powyższym schemacie pokazano zależność między tymi trzema kierunkami wektora.

•••Syed Hussain Ather

Równanie Lorentza mówi, że przy większym polu elektrycznym na poruszającą się naładowaną cząsteczkę w polu działa większa siła elektryczna. Możesz również powiązać trzy wektory siły magnetycznej, pola magnetycznego i prędkości naładowanej cząstki za pomocą reguły prawej ręki specjalnie dla tych wektorów.

Na powyższym diagramie te trzy wielkości odpowiadają naturalnemu sposobowi, w jaki twoja prawa ręka wskazuje w tych kierunkach. Każdy palec wskazujący i środkowy oraz kciuk odpowiada jednemu ze związków.

Magnetometry mogą również wykrywać magnetostrykcja, połączenie dwóch efektów. Pierwszym z nich jest Efekt dżula, sposób, w jaki pole magnetyczne powoduje kurczenie się lub rozszerzanie materiału fizycznego. Drugi to Efekt Villari, jak materiał poddany naprężeniom zewnętrznym zmienia się w reakcji na pola magnetyczne.

Korzystanie z materiału magnetostrykcyjnego, który wykazuje te zjawiska w sposób łatwy do zmierzenia i są zależne od siebie, magnetometry mogą dokonywać jeszcze dokładniejszych i dokładniejszych pomiarów magnetycznych pole. Ponieważ efekt magnetostrykcyjny jest bardzo mały, urządzenia muszą go mierzyć pośrednio.

Czujniki Fluxgate dać magnetometrowi jeszcze większą precyzję w wykrywaniu pól magnetycznych. Urządzenia te składają się z dwóch metalowych cewek z rdzeniami ferromagnetycznymi, materiałów, które po namagnesowaniu wykazują właściwości magnetyczne nawet po usunięciu namagnesowania.

Kiedy określisz strumień magnetyczny lub pole magnetyczne, które wynikają z rdzenia, możesz dowiedzieć się, jaki prąd lub zmiana prądu mogła to spowodować. Dwa rdzenie są umieszczone obok siebie w taki sposób, że sposób nawijania drutów wokół jednego rdzenia odzwierciedla drugi.

Kiedy wysyłasz prąd przemienny, który zmienia kierunek w regularnych odstępach czasu, wytwarzasz pole magnetyczne w obu rdzeniach. Indukowane pola magnetyczne powinny się przeciwstawiać i znosić, jeśli nie ma zewnętrznego pola magnetycznego. Jeśli istnieje zewnętrzny, rdzeń magnetyczny nasyci się w odpowiedzi na to zewnętrzne pole. Określając zmianę pola magnetycznego lub strumienia, można określić obecność tych zewnętrznych pól magnetycznych.

Zastosowania dowolnego magnetometru w różnych dyscyplinach, w których istotne jest pole magnetyczne. W zakładach produkcyjnych i zautomatyzowanych urządzeniach, które tworzą i pracują na metalowym sprzęcie, magnetometr może to zapewnić maszyny zachowują właściwy kierunek podczas wykonywania czynności, takich jak wiercenie przez metale lub cięcie materiałów w kształt.

Laboratoria, które tworzą i przeprowadzają badania materiałów próbek, muszą zrozumieć, w jaki sposób różne siły fizyczne, takie jak efekt Halla, wchodzą w grę, gdy są wystawione na działanie pól magnetycznych. Potrafią klasyfikować momenty magnetyczne jako diamagnetyczne, paramagnetyczne, ferromagnetyczne lub antyferromagnetyczne.

Materiały diamagnetyczne nie mają lub mają niewiele niesparowanych elektronów, więc nie wykazują zbyt dużego zachowania magnetycznego, paramagnetyczny te mają niesparowane elektrony, aby umożliwić swobodny przepływ pól, materiał ferromagnetyczny wykazuje właściwości magnetyczne właściwości w obecności pola zewnętrznego o spinach elektronów równoległych do pola magnetycznego domeny i antyferromagnetyczny materiały mają antyrównoległe do nich spiny elektronów.

Archeolodzy, geolodzy i badacze z podobnych dziedzin mogą wykrywać właściwości materiałów w fizyce i chemii za pomocą liczb dowiedzieć się, w jaki sposób można wykorzystać pole magnetyczne do określenia innych właściwości magnetycznych lub jak zlokalizować obiekty głęboko pod powierzchnią Ziemi powierzchnia. Dzięki nim badacze mogą określić położenie złóż węgla i zmapować wnętrze Ziemi. Specjaliści wojskowi uważają te urządzenia za przydatne do lokalizowania okrętów podwodnych, a astronomowie uważają je za przydatne do badania, w jaki sposób pole magnetyczne Ziemi wpływa na obiekty w kosmosie.