Ce este un magnetometru?

Magnetometre(uneori scris ca "magnetometru") măsoară forța și direcția camp magnetic, de obicei dat în unități de teslas. Pe măsură ce obiectele metalice intră în contact sau se apropie de câmpul magnetic al Pământului, acestea prezintă proprietăți magnetice.

Pentru materialele cu o astfel de compoziție de metale și aliaje metalice care lasă electronii și sarcina să curgă liber, se degajă câmpuri magnetice. O busolă este un bun exemplu al unui obiect metalic care intră în interacțiuni cu câmpul magnetic al Pământului, astfel încât acul să indice spre nordul magnetic.

Magnetometrele măsoară, de asemenea densitatea fluxului magnetic, cantitatea de flux magnetic pe o anumită zonă. Vă puteți gândi la flux ca la o rețea care lasă să curgă apa prin el, dacă vă înclinați în direcția curentului unui râu. Fluxul măsoară cât de mult din câmpul electric curge prin el în acest fel.

Puteți determina câmpul magnetic care formează această valoare dacă o măsurați pe o anumită suprafață plană, cum ar fi o foaie dreptunghiulară sau o carcasă cilindrică. Acest lucru vă permite să aflați cum câmpul magnetic care exercită o forță asupra unui obiect sau a unei particule încărcate în mișcare depinde de unghiul dintre zonă și câmp.

Senzorul unui magnetometru detectează densitatea fluxului magnetic care poate fi convertită în câmp magnetic. Cercetătorii folosesc magnetometre pentru a detecta depozitele de fier pe Pământ măsurând câmpul magnetic degajat de diferite structuri de rocă. Oamenii de știință pot folosi, de asemenea, magnetometre pentru a determina amplasarea naufragiilor și a altor obiecte sub mare sau sub pământ.

Un magnetometru poate fi vector sau scalar. Magnetometre vectoriale detectați densitatea fluxului într-o direcție specifică în spațiu, în funcție de modul în care îl orientați. Magnetometre scalarepe de altă parte, detectează numai magnitudinea sau puterea vectorului fluxului, nu poziția unghiului la care este măsurat.

Smartphone-urile și alte telefoane mobile folosesc magnetometre încorporate pentru a măsura câmpurile magnetice și pentru a determina care este direcția nordică prin curentul de la telefonul însuși. De obicei, smartphone-urile sunt proiectate cu scopul de a fi multidimensionale pentru aplicațiile și caracteristicile pe care le pot suporta. Smartphone-urile folosesc, de asemenea, ieșirea din accelerometrul și unitatea GPS a unui telefon pentru a determina locația și direcțiile busolei.

Aceste accelerometre sunt dispozitive încorporate care pot determina poziția și orientarea telefoanelor inteligente, cum ar fi direcția pe care o îndreptați. Acestea sunt utilizate în aplicațiile bazate pe fitness și în serviciile GPS, măsurând cât de repede accelerează telefonul. Acestea funcționează folosind senzori de structuri cristaline microscopice care pot detecta modificări precise, minuscule ale accelerației, prin calcularea forței exercitate asupra lor.

Inginerul chimic Bill Hammack a spus că inginerii creează aceste accelerometre din siliciu astfel încât să rămână sigure și stabile în smartphone-uri în timp ce se mișcă. Aceste cipuri au o parte care oscilează sau se mișcă înainte și înapoi, care detectează mișcările seismice. Telefonul mobil poate detecta mișcarea precisă a unei foi de siliciu în acest dispozitiv pentru a determina accelerația.

Un magnetometru poate varia foarte mult în funcționare. Pentru exemplul simplu de busolă, acul unei busole se aliniază cu nordul câmpului magnetic al Pământului astfel încât, atunci când este în repaus, să fie în echilibru. Aceasta înseamnă că suma forțelor care acționează asupra sa este zero și greutatea propriei gravitații a busolei se anulează odată cu forța magnetică de pe Pământ care acționează asupra ei. Deși exemplul este simplu, ilustrează proprietatea magnetismului care lasă să funcționeze alte magnetometre.

Busolele electronice pot determina ce direcție este nordul magnetic folosind fenomene precum efectul de hol, magnetoinducție, sau mangetorezistență.

Efectul Hall înseamnă că conductorii care au curenți electrici care curg prin ele creează o tensiune perpendiculară pe câmpul și direcția curentului. Asta înseamnă că magnetometrele pot folosi material semiconductor pentru a trece curentul și pentru a determina dacă un câmp magnetic este în apropiere. Măsurează modul în care curentul este distorsionat sau înclinat din cauza câmpului magnetic, iar tensiunea la care se produce acest lucru este Tensiunea Hall, care ar trebui să fie proporțional cu câmpul magnetic.

Magnetoinducție prin contrast, metodele măsoară cât de magnetizat este sau devine un material atunci când este expus unui câmp magnetic extern. Aceasta implică crearea curbe de demagnetizare, cunoscute și sub numele de curbe B-H sau curbe de histerezis, care măsoară fluxul magnetic și forța magnetică a forței printr-un material atunci când sunt expuse unui câmp magnetic.

Aceste curbe permit oamenilor de știință și inginerilor să clasifice materialele care alcătuiesc dispozitive cum ar fi bateriile și electromagnetii în funcție de modul în care aceste materiale răspund la câmpul magnetic extern. Ele pot determina ce flux magnetic și forță experimentează aceste materiale atunci când sunt expuse câmpurilor externe și le pot clasifica după puterea magnetică.

In cele din urma, magnetorezistență metodele din magnetometre se bazează pe detectarea capacității unui obiect de a modifica rezistența electrică atunci când este expusă unui câmp magnetic extern. În mod similar cu tehnicile de magnetoinducție, magnetometrele exploatează magnetorezistență anizotropă (AMR) a feromagnetilor, materiale care, după ce au fost supuse magnetizării, prezintă proprietăți magnetice chiar și după ce magnetizarea a fost îndepărtată.

AMR implică detectarea între direcția curentului electric și magnetizare în prezența magnetizării. Acest lucru se întâmplă pe măsură ce rotirile orbitalilor de electroni care alcătuiesc materialul se redistribuie în prezența unui câmp extern.

Rotația electronică nu este modul în care un electron se rotește de fapt ca și cum ar fi un vârf sau o minge, ci este, mai degrabă, o proprietate cuantică intrinsecă și o formă de impuls unghiular. Rezistența electrică are o valoare maximă atunci când curentul este paralel cu un câmp magnetic extern, astfel încât câmpul să poată fi calculat corespunzător.

senzori mangetorezistivi în magnetometre se bazează pe legile fundamentale ale fizicii în determinarea câmpului magnetic. Acești senzori prezintă efectul Hall în prezența câmpurilor magnetice astfel încât electronii din ele să curgă sub formă de arc. Cu cât raza acestei mișcări rotative circulare este mai mare, cu atât este mai mare calea pe care o parcurg particulele încărcate și câmpul magnetic este mai puternic.

Odată cu creșterea mișcărilor arcului, calea are și o rezistență mai mare, astfel încât dispozitivul să poată calcula ce fel de câmp magnetic ar exercita această forță asupra particulei încărcate.

Aceste calcule implică mobilitatea purtătorului sau a electronilor, cât de repede se poate deplasa un electron printr-un metal sau semiconductor în prezența unui câmp magnetic extern. În prezența efectului Hall, uneori se numește Mobilitatea sălii.

Matematic, forța magnetică F este egală cu sarcina particulei q timp produsul încrucișat al vitezei particulei v și câmpul magnetic B. Acesta ia forma Ecuația Lorentz pentru magnetism F = q (v x B) in care X este produsul încrucișat.

•••Syed Hussain Ather

Dacă doriți să determinați produsul încrucișat între doi vectori A și b, vă puteți da seama că vectorul rezultat c are magnitudinea paralelogramului pe care îl parcurg cei doi vectori. Vectorul produs transversal rezultat este în direcția perpendiculară pe A și b dată de regula mâinii drepte.

Regula din partea dreaptă vă spune că, dacă plasați degetul arătător drept în direcția vectorului b și degetul mijlociu drept în direcția vectorului a, vectorul rezultat c merge în direcția degetului mare drept. În diagrama de mai sus, este prezentată relația dintre aceste trei direcții vectoriale.

•••Syed Hussain Ather

Ecuația Lorentz vă spune că, cu un câmp electric mai mare, există mai multă forță electrică exercitată asupra unei particule încărcate în mișcare în câmp. De asemenea, puteți lega trei vectori forța magnetică, câmpul magnetic și viteza particulei încărcate printr-o regulă din dreapta specială pentru acești vectori.

În diagrama de mai sus, aceste trei cantități corespund modului natural în care mâna dreaptă indică în aceste direcții. Fiecare index și degetul mijlociu și degetul mare corespund uneia dintre relații.

De asemenea, magnetometrele pot detecta magnetostricție, o combinație de două efecte. Primul este Efect Joule, modul în care un câmp magnetic determină contracția sau expansiunea unui material fizic. Al doilea este Efectul Villari, modul în care materialul supus stresului extern se schimbă în modul în care răspunde la câmpurile magnetice.

Folosind un material magnetostrictiv care prezintă aceste fenomene în moduri ușor de măsurat și depind unul de celălalt, magnetometrele pot face și mai precise și mai precise măsurători ale magnetice camp. Deoarece efectul magnetostrictiv este foarte mic, dispozitivele trebuie să îl măsoare indirect.

Senzori Fluxgate oferiți unui magnetometru și mai multă precizie în detectarea câmpurilor magnetice. Aceste dispozitive constau din două bobine metalice cu miez feromagnetic, materiale care, după ce au fost supuse magnetizării, prezintă proprietăți magnetice chiar și după ce magnetizarea a fost îndepărtată.

Când determinați fluxul magnetic sau câmpul magnetic care rezultă din miez, puteți afla ce curent sau modificat în curent ar fi putut să-l provoace. Cele două miezuri sunt așezate una lângă alta astfel încât modul în care firele sunt înfășurate în jurul unui miez oglindesc celălalt.

Când trimiteți un curent alternativ, unul care își inversează direcția la intervale regulate, produceți un câmp magnetic în ambele nuclee. Câmpurile magnetice induse ar trebui să se opună reciproc și să se anuleze reciproc dacă nu există câmp magnetic extern. Dacă există unul extern, miezul magnetic se va satura ca răspuns la acest câmp extern. Determinând schimbarea câmpului magnetic sau a fluxului, puteți determina prezența acestor câmpuri magnetice externe.

Aplicațiile oricărui magnetometru variază între discipline în care câmpul magnetic este relevant. În fabricile și dispozitivele automate care creează și lucrează pe echipamente metalice, un magnetometru poate asigura acest lucru mașinile mențin direcția adecvată atunci când efectuează acțiuni precum forarea prin metale sau tăierea materialelor formă.

Laboratoarele care creează și efectuează cercetări pe materiale eșantionare trebuie să înțeleagă modul în care diverse forțe fizice, precum efectul Hall, intră în joc atunci când sunt expuse câmpurilor magnetice. Ei pot clasifica momente magnetice ca diamagnetice, paramagnetice, feromagnetice sau antiferomagnetice.

Materiale diamagnetice nu au sau puțini electroni nepereche, așa că nu prezintă prea mult comportament magnetic, paramagnetic unele au electroni nepereche pentru a lăsa câmpurile să curgă liber, materialul feromagnetic arată magnetic proprietăți în prezența unui câmp extern cu electronii rotiți paralel cu magneticul domenii și antiferomagnetic materialele au electronul care se învârte antiparalel cu ele.

Arheologii, geologii și cercetătorii din zone similare pot detecta proprietățile materialelor din fizică și chimie prin calcul Aflați cum poate fi utilizat câmpul magnetic pentru a determina alte proprietăți magnetice sau cum să localizați obiectele adânc sub Pământ suprafaţă. Ei pot permite cercetătorilor să stabilească locația depozitelor de cărbune și să hărțuiască interiorul Pământului. Profesioniștii militari găsesc aceste dispozitive utile pentru localizarea submarinelor, iar astronomii le găsesc benefice pentru explorarea modului în care obiectele din spațiu sunt afectate de câmpul magnetic al Pământului.