Čo je to magnetometer?

Magnetometre(niekedy písané ako „magneto meter“) merajú silu a smer magnetické pole, obvykle sa udávajú v jednotkách tesla. Keď kovové predmety prichádzajú do styku alebo sa priblížia k magnetickému poľu Zeme, prejavujú magnetické vlastnosti.

U materiálov s takým zložením kovov a kovových zliatin, ktoré nechávajú voľne prúdiť elektróny a náboj, sa vydávajú magnetické polia. Kompas je dobrým príkladom toho, že kovový objekt prichádza do interakcií s magnetickým poľom Zeme tak, že ihla smeruje k magnetickému severu.

Magnetometre tiež merajú hustota magnetického toku, množstvo magnetického toku v určitej oblasti. Tok si môžete predstaviť ako sieť, ktorá cez ňu nechá pretekať vodu, ak sa nakloníte v smere prúdu rieky. Tok meria, koľko elektrického poľa ním preteká týmto spôsobom.

Z tejto hodnoty môžete určiť magnetické pole, ak ho meriate na konkrétnom plošnom povrchu, ako je napríklad obdĺžnikový plech alebo valcovitý kryt. To vám umožní zistiť, ako magnetické pole, ktoré vyvíja silu na objekt alebo pohybujúce sa nabité častice, závisí od uhla medzi oblasťou a poľom.

Snímač magnetometra detekuje hustotu magnetického toku, ktorú je možné previesť na magnetické pole. Vedci používajú magnetometre na zisťovanie usadenín železa v Zemi meraním magnetického poľa vydávaného rôznymi štruktúrami hornín. Vedci môžu tiež pomocou magnetometrov určiť polohu vrakov lodí a iných objektov pod morom alebo pod zemou.

Magnetometer môže byť buď vektorový alebo skalárny. Vektorové magnetometre detegujte hustotu toku konkrétnym smerom v priestore podľa toho, ako ho orientujete. Skalárne magnetometrena druhej strane deteguje iba veľkosť alebo silu vektora toku, nie polohu uhla, pod ktorým sa meria.

Smartfóny a ďalšie mobilné telefóny používajú vstavané magnetometre na meranie magnetických polí a na určenie toho, ktorá cesta je na sever cez prúd zo samotného telefónu. Inteligentné telefóny sú zvyčajne navrhnuté tak, aby boli viacrozmerné pre aplikácie a funkcie, ktoré môžu podporovať. Smartfóny tiež používajú výstup z akcelerometra telefónu a jednotky GPS na určenie polohy a smerov kompasu.

Tieto akcelerometre sú vstavané zariadenia, ktoré dokážu určiť polohu a orientáciu inteligentných telefónov, napríklad smer, ktorým ste nasmerovali. Používajú sa v aplikáciách založených na fitness a službách GPS na meranie rýchlosti, akou sa váš telefón zrýchľuje. Pracujú pomocou senzorov mikroskopických kryštálových štruktúr, ktoré dokážu detekovať presné, nepatrné zmeny v zrýchlení výpočtom sily na ne pôsobiacej.

Chemický inžinier Bill Hammack uviedol, že inžinieri vytvárajú tieto akcelerometre zo silikónu tak, aby zostali bezpečné a stabilné v smartfónoch aj pri pohybe. Tieto čipy majú časť, ktorá kmitá alebo sa pohybuje tam a späť a detekuje seizmické pohyby. Mobilný telefón dokáže v tomto zariadení zistiť presný pohyb kremíkovej dosky a určiť tak zrýchlenie.

Magnetometer sa môže veľmi líšiť v tom, ako funguje. Pre jednoduchý príklad kompasu sa ihla kompasu vyrovná so severom magnetického poľa Zeme tak, že keď je v pokoji, je v rovnováhe. To znamená, že súčet síl na ňu pôsobiacich je nulový a váha vlastnej gravitácie kompasu sa ruší magnetickou silou zo Zeme, ktorá na ňu pôsobí. Aj keď je príklad jednoduchý, ilustruje vlastnosť magnetizmu, ktorá umožňuje pracovať iným magnetometrom.

Elektronické kompasy môžu určiť, ktorým smerom je magnetický sever, pomocou javov, ako je Hallov efekt, magnetoindukciaalebo mangetorezistencia.

Hallov jav znamená, že vodiče, ktoré cez ne pretekajú elektrickými prúdmi, vytvárajú napätie kolmé na pole a smer prúdu. To znamená, že magnetometre môžu na prenos prúdu použiť polovodičový materiál a určiť, či je v jeho blízkosti magnetické pole. Meria spôsob skreslenia alebo naklonenia prúdu v dôsledku magnetického poľa a napätie, pri ktorom k tomu dôjde, je Hallovo napätie, ktoré by malo byť úmerné magnetickému poľu.

Magnetoindukcia metódy naproti tomu merajú, ako magnetizovaný je materiál alebo aký sa stane, keď je vystavený pôsobeniu vonkajšieho magnetického poľa. To zahŕňa vytváranie demagnetizačné krivky, známe tiež ako krivky BH alebo hysterézne krivky, ktoré merajú magnetický tok a silu magnetickej sily v materiáli vystavenom magnetickému poľu.

Tieto krivky umožňujú vedcom a inžinierom klasifikovať materiál, z ktorého sa skladajú zariadenia ako batérie a elektromagnety, podľa toho, ako tieto materiály reagujú na vonkajšie magnetické pole. Môžu určiť, aký magnetický tok a sila, ktorú tieto materiály zažívajú pri vystavení vonkajším poliam, a klasifikovať ich podľa magnetickej sily.

Nakoniec magnetorezistencia metódy v magnetometroch sa spoliehajú na detekciu schopnosti objektu meniť elektrický odpor pri vystavení vonkajšiemu magnetickému poľu. Podobne ako magnetoindukčné techniky, aj magnetometre využívajú anizotropná magnetorezistencia (AMR) feromagnetov, materiálov, ktoré po vystavení magnetizácii vykazujú magnetické vlastnosti aj po odstránení magnetizácie.

AMR zahŕňa detekciu medzi smerom elektrického prúdu a magnetizáciou za prítomnosti magnetizácie. Stáva sa to tak, že točenia sa elektrónových orbitálov, ktoré tvoria materiál, sa samy redistribuujú v prítomnosti vonkajšieho poľa.

Spínanie elektrónov nie je to, ako sa elektrón v skutočnosti točí, akoby to bol kolovrátok alebo guľa, ale je to skôr vlastná kvantová vlastnosť a forma momentu hybnosti. Elektrický odpor má maximálnu hodnotu, keď je prúd paralelný s vonkajším magnetickým poľom, aby bolo možné pole primerane vypočítať.

The mangetorezistívne senzory v magnetometroch sa pri určovaní magnetického poľa spoliehajú na základné fyzikálne zákony. Tieto snímače vykazujú Hallov jav v prítomnosti magnetických polí tak, že elektróny v nich prúdia v oblúkovom tvare. Čím väčší je polomer tohto kruhového, rotačného pohybu, tým väčšia je dráha, po ktorej sa nabité častice uberajú, a tým silnejšie je magnetické pole.

So zvyšujúcimi sa pohybmi oblúka má dráha tiež väčší odpor, takže zariadenie môže vypočítať, aký druh magnetického poľa by vyvinul túto silu na nabitú časticu.

Tieto výpočty zahŕňajú pohyblivosť nosiča alebo elektrónov, ako rýchlo sa elektrón môže pohybovať cez kov alebo polovodič za prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa. Za prítomnosti Hallovho efektu sa niekedy nazýva Mobilita haly.

Matematicky magnetická sila F sa rovná náboju častice q čas priečneho súčinu rýchlosti častice v a magnetické pole B. Má formu súboru Lorentzova rovnica pre magnetizmus F = q (v x B) v ktorom X je krížový produkt.

•••Syed Hussain Ather

Ak chcete určiť krížový produkt medzi dvoma vektormi a a b, môžete zistiť, že výsledný vektor c má veľkosť rovnobežníka, ktorý oba vektory pokrývajú. Výsledný vektor krížového produktu je v smere kolmom na a a b dané pravidlom pravej ruky.

Pravidlo pravej ruky vám hovorí, že ak položíte pravý ukazovák v smere vektora b a pravý prostredník v smere vektora a, výsledný vektor c ide v smere pravého palca. Na vyššie uvedenom diagrame je znázornený vzťah medzi týmito tromi smermi vektora.

•••Syed Hussain Ather

Lorentzova rovnica vám hovorí, že s väčším elektrickým poľom existuje viac elektrickej sily vyvíjanej na pohybujúcu sa nabitú časticu v poli. Môžete tiež vzťahovať na tri vektory magnetickú silu, magnetické pole a rýchlosť nabitej častice prostredníctvom pravidla pravej ruky špeciálne pre tieto vektory.

Vo vyššie uvedenom diagrame zodpovedajú tieto tri veličiny prirodzenému spôsobu, ktorý ukazuje vaša pravá ruka v týchto smeroch. Každý ukazovák a prostredník a palec zodpovedá jednému zo vzťahov.

Dokážu to zistiť aj magnetometre magnetostrikcia, kombinácia dvoch účinkov. Prvý je Joulov efektspôsob, akým magnetické pole spôsobuje kontrakciu alebo expanziu fyzikálneho materiálu. Druhým je Villariho efekt, ako sa materiál vystavený vonkajšiemu stresu mení v tom, ako reaguje na magnetické polia.

Pomocou magnetostrikčného materiálu, ktorý tieto javy vykazuje spôsobmi, ktoré sa dajú ľahko merať a závisia jeden od druhého, magnetometre môžu robiť ešte presnejšie a presnejšie merania magnetického poľa lúka. Pretože magnetostrikčný účinok je veľmi malý, je potrebné, aby ho prístroje merali nepriamo.

Fluxgate senzory poskytujú magnetometru ešte väčšiu presnosť pri detekcii magnetických polí. Tieto zariadenia pozostávajú z dvoch kovových cievok s feromagnetickými jadrami, z materiálov, ktoré po vystavení magnetizácii vykazujú magnetické vlastnosti aj po odstránení magnetizácie.

Keď určíte magnetický tok alebo magnetické pole, ktoré vychádzajú z jadra, môžete zistiť, aký prúd alebo zmena prúdu ho mohli spôsobiť. Dve jadrá sú umiestnené vedľa seba tak, aby spôsob navíjania drôtov okolo jedného jadra odrážal druhé.

Keď vysielate striedavý prúd, ktorý v pravidelných intervaloch obracia smer, vytvoríte magnetické pole v obidvoch žilách. Indukované magnetické polia by mali byť proti sebe a navzájom sa rušiť, ak nie je k dispozícii žiadne vonkajšie magnetické pole. Ak existuje vonkajšie, magnetické jadro sa nasýti ako reakcia na toto vonkajšie pole. Stanovením zmeny magnetického poľa alebo toku môžete určiť prítomnosť týchto vonkajších magnetických polí.

Aplikácie ľubovoľného rozsahu magnetometra naprieč disciplínami, v ktorých je magnetické pole relevantné. Vo výrobných závodoch a automatizovaných zariadeniach, ktoré vytvárajú a pracujú na kovových zariadeniach, to môže zabezpečiť magnetometer stroje udržiavajú vhodný smer, keď vykonávajú činnosti, ako sú vŕtanie do kovov alebo rezanie materiálov do tvar.

Laboratóriá, ktoré vytvárajú a vykonávajú výskum vzorkových materiálov, musia pochopiť, ako pôsobia rôzne fyzikálne sily, ako je Hallov jav, keď sú vystavené magnetickým poliam. Môžu triediť magnetické momenty ako diamagnetické, paramagnetické, feromagnetické alebo antiferomagnetické.

Diamagnetické materiály nemajú žiadne alebo málo nespárených elektrónov, takže nevykazujú veľa magnetického správania, paramagnetický tie majú nespárované elektróny, ktoré nechávajú polia voľne prúdiť, feromagnetický materiál ukazuje magnetické vlastnosti v prítomnosti vonkajšieho poľa s elektrónom sa točí rovnobežne s magnetickým domén a antiferomagnetický materiály majú točenie elektrónov antiparalelné s nimi.

Archeológovia, geológovia a výskumníci v podobných oblastiach môžu zisťovať vlastnosti materiálov vo fyzike a chémii na základe číselných údajov sa dozviete, ako možno magnetické pole použiť na určenie ďalších magnetických vlastností alebo ako umiestniť objekty hlboko pod zemské povrch. Môžu nechať vedcov určiť polohu ložísk uhlia a zmapovať vnútro Zeme. Vojenskí odborníci považujú tieto zariadenia za užitočné pri lokalizácii ponoriek a astronómovia ich považujú za užitočné pri skúmaní toho, ako objekty vo vesmíre ovplyvňujú magnetické pole Zeme.