Vad är en magnetometer?

Magnetometrar(ibland skrivet som "magnetometern") mäta styrka och riktning magnetiskt fält, vanligtvis ges i enheter av teslas. När metallföremål kommer i kontakt med eller kommer nära jordens magnetfält uppvisar de magnetiska egenskaper.

För material med en sådan sammansättning av metaller och metalllegeringar som låter elektroner och laddning flöda fritt, avges magnetfält. En kompass är ett bra exempel på ett metallföremål som kommer i interaktioner med jordens magnetfält så att nålen pekar mot den magnetiska norr.

Magnetometrar mäter också magnetisk flödestäthet, mängden magnetflöde över ett visst område. Du kan tänka på flöde som ett nät som låter vatten flöda genom det om du vinklar i riktning mot en flods ström. Flödet mäter hur mycket av det elektriska fältet som strömmar genom det på detta sätt.

Du kan bestämma magnetfältet från detta värde om du mäter det över en specifik plan yta, såsom ett rektangulärt ark eller ett cylindriskt fodral. Detta låter dig ta reda på hur magnetfält som utövar en kraft på ett objekt eller en rörlig laddad partikel beror på vinkeln mellan området och fältet.

Sensorn på en magnetometern detekterar den magnetiska flödestätheten som kan omvandlas till magnetfält. Forskare använder magnetometrar för att upptäcka järnavlagringar i jorden genom att mäta magnetfältet som avges av olika bergstrukturer. Forskare kan också använda magnetometrar för att bestämma placeringen av skeppsvrak och andra föremål under havet eller under jorden.

En magnetometer kan antingen vara vektor eller skalär. Vektormagnetometrar upptäcka flödestätheten i en viss riktning i rymden beroende på hur du orienterar den. Skalarmagnetometrarå andra sidan, detekterar endast storleken eller styrkan hos flödesvektorn, inte positionen för vinkeln vid vilken den mäts.

Smartphones och andra mobiltelefoner använder inbyggda magnetometrar för att mäta magnetfält och bestämma vilken väg som är norrut genom strömmen från själva telefonen. Vanligtvis är smartphones utformade i syfte att vara flerdimensionella för de applikationer och funktioner de kan stödja. Smartphones använder också utdata från en telefons accelerometer och GPS-enhet för att bestämma plats- och kompassriktningar.

Dessa accelerometrar är inbyggda enheter som kan bestämma positionen och orienteringen för smarta telefoner, till exempel i vilken riktning du pekar den. Dessa används i fitnessbaserade appar och GPS-tjänster genom att mäta hur snabbt din telefon accelererar. De arbetar med sensorer av mikroskopiska kristallstrukturer som kan upptäcka exakta, små förändringar i acceleration genom att beräkna den kraft som utövas på dem.

Kemitekniker Bill Hammack sa att ingenjörer skapar dessa accelerometrar av kisel så att de förblir säkra och stabila i smartphones medan de rör sig. Dessa marker har en del som svänger eller rör sig fram och tillbaka som upptäcker seismiska rörelser. Mobilen kan upptäcka den exakta rörelsen hos ett kiselark i denna enhet för att bestämma accelerationen.

En magnetometer kan variera kraftigt beroende på hur den fungerar. För det enkla exemplet på en kompass riktar sig kompassnålen in med norra delen av jordens magnetfält så att den är i jämvikt när den är i vila. Detta betyder att summan av de krafter som verkar på den är noll och vikten av kompassens egen tyngdkraft avlägsnas med den magnetiska kraften från jorden som verkar på den. Även om exemplet är enkelt illustrerar det magnetismens egenskap som låter andra magnetometrar fungera.

Elektroniska kompasser kan bestämma vilken riktning som är magnetisk norr med hjälp av fenomen som Hall-effekt, magnetinduktion, eller mangetoresistance.

Hall-effekten betyder att ledare som har elektriska strömmar som strömmar genom dem skapar en spänning vinkelrätt mot strömens fält och riktning. Det betyder att magnetometrar kan använda halvledande material för att leda ström genom och avgöra om ett magnetfält finns i närheten. Det mäter hur strömmen är förvrängd eller vinklad på grund av magnetfältet, och spänningen vid vilken detta inträffar är den Hallspänning, som bör vara proportionell mot magnetfältet.

Magnetoinduktion metoder, däremot, mäta hur magnetiserat ett material är eller blir när det utsätts för ett externt magnetfält. Det handlar om att skapa demagnetiseringskurvor, även känd som B-H-kurvor eller hysteresekurvor, som mäter det magnetiska flödet och den magnetiska kraftstyrkan genom ett material när det utsätts för ett magnetfält.

Dessa kurvor låter forskare och ingenjörer klassificera material som utgör enheter som batterier och elektromagneter efter hur dessa material reagerar på externt magnetfält. De kan bestämma vilket magnetiskt flöde och tvinga dessa material upplever när de utsätts för de yttre fälten och klassificera dem efter magnetisk styrka.

Till sist, magnetoresistance metoder i magnetometrar förlitar sig på att detektera ett objekts förmåga att ändra elektriskt motstånd när det utsätts för ett externt magnetfält. På samma sätt som magnetoinduktionstekniker utnyttjar magnetometrar anisotropisk magnetoresistance (AMR) av ferromagneter, material som, efter att ha utsatts för magnetisering, visar magnetiska egenskaper även efter att magnetiseringen har tagits bort.

AMR innebär att detektera mellan riktningen för elektrisk ström och magnetisering i närvaro av magnetisering. Detta händer när elektronens orbitaler som utgör materialet snurrar om sig själva i närvaro av ett externt fält.

Elektronspinnet är inte hur en elektron faktiskt snurrar som om det vore en snurrplatta eller en boll, utan är snarare en inneboende kvantegenskap och en form av vinkelmoment. Det elektriska motståndet har ett maximalt värde när strömmen är parallell med ett externt magnetfält så att fältet kan beräknas på lämpligt sätt.

De mangetoresistiva sensorer i magnetometrar förlitar sig på grundläggande fysiklagar vid bestämning av magnetfält. Dessa sensorer uppvisar Hall-effekten i närvaro av magnetfält så att elektronerna i dem flyter i en bågform. Ju större radie för denna cirkulära, roterande rörelse, desto större väg de laddade partiklarna tar och desto starkare är magnetfältet.

Med ökande bågrörelser har banan också ett större motstånd så att anordningen kan beräkna vilken typ av magnetfält som skulle utöva denna kraft på den laddade partikeln.

Dessa beräkningar involverar bäraren eller elektronmobiliteten, hur snabbt en elektron kan röra sig genom en metall eller halvledare i närvaro av ett externt magnetfält. I närvaro av Hall-effekten kallas det ibland Hall rörlighet.

Matematiskt den magnetiska kraften F är lika med laddningen av partikeln q tid korsprodukten av partikelns hastighet v och magnetfält B. Det tar formen av Lorentz ekvation för magnetism F = q (v x B) i vilken x är korsprodukten.

•••Syed Hussain Ather

Om du vill bestämma korsprodukten mellan två vektorer a och b, kan du räkna ut att den resulterande vektorn c har storleken på parallellogrammet som de två vektorerna spänner över. Den resulterande tvärproduktvektorn är i riktningen vinkelrätt mot a och b ges av högerregeln.

Den högra regeln säger att om du placerar ditt högra pekfinger i riktning mot vektor b och ditt högra långfinger i riktning mot vektor a, blir den resulterande vektorn c går i riktning mot din högra tumme. I diagrammet ovan visas förhållandet mellan dessa tre vektors riktningar.

•••Syed Hussain Ather

Lorentz-ekvationen berättar att med större elektriskt fält utövas mer elektrisk kraft på en rörlig laddad partikel i fältet. Du kan också relatera tre vektorers magnetkraft, magnetfält och hastighet för den laddade partikeln genom en högerregel specifikt för dessa vektorer.

I ovanstående diagram motsvarar dessa tre mängder det naturliga sätt som din högra hand pekar i dessa riktningar. Varje pekfinger och långfinger och tumme motsvarar ett förhållande.

Magnetometrar kan också upptäcka magnetostriktion, en kombination av två effekter. Den första är Joule-effekt, hur ett magnetfält orsakar kontraktion eller expansion av ett fysiskt material. Den andra är Villari-effekt, hur materialet som utsätts för yttre spänningar förändras i hur det reagerar på magnetfält.

Använda ett magnetostriktivt material som visar dessa fenomen på sätt som är lätta att mäta och beroende på varandra, kan magnetometrar göra ännu mer exakta och exakta mätningar av magnetiska fält. Eftersom den magnetostriktiva effekten är mycket liten, måste enheterna mäta den indirekt.

Fluxgate-sensorer ge en magnetometer ännu mer precision vid upptäckt av magnetfält. Dessa enheter består av två metallspolar med ferromagnetiska kärnor, material som, efter att ha utsatts för magnetisering, visar magnetiska egenskaper även efter att magnetiseringen har tagits bort.

När du bestämmer det magnetiska flödet eller magnetfältet som härrör från kärnan kan du ta reda på vilken ström eller förändrad ström som kan ha orsakat det. De två kärnorna är placerade bredvid varandra så att trådarna lindas runt en kärna speglar den andra.

När du skickar en växelström, en som vänder sin riktning med jämna mellanrum, producerar du ett magnetfält i båda kärnorna. De inducerade magnetfälten bör motsätta varandra och avbryta varandra om det inte finns något externt magnetfält. Om det finns en extern, kommer den magnetiska kärnan att mätta sig som svar på detta yttre fält. Genom att bestämma förändringen i magnetfält eller flöde kan du bestämma närvaron av dessa yttre magnetfält.

Tillämpningarna av alla magnetometrar sträcker sig över discipliner där magnetfält är relevant. I tillverkningsanläggningar och automatiserade enheter som skapar och arbetar med metallutrustning kan en magnetometer säkerställa det maskiner har lämplig riktning när de utför åtgärder som att borra genom metaller eller skära material i form.

Laboratorier som skapar och forskar på provmaterial måste förstå hur olika fysiska krafter som Hall-effekten spelar in när de utsätts för magnetfält. De kan klassificera magnetiska ögonblick som diamagnetiska, paramagnetiska, ferromagnetiska eller antiferromagnetiska.

Diamagnetiska material har inga eller få oparade elektroner så uppvisar inte mycket magnetiskt beteende, paramagnetisk de har oparade elektroner för att låta fält flyta fritt, ferromagnetiskt material visar magnetiskt egenskaper i närvaro av ett externt fält med elektronen snurrar parallellt med magneten domäner och antiferromagnetisk material har elektronen snurrar antiparallell mot dem.

Arkeologer, geologer och forskare inom liknande områden kan upptäcka egenskaper hos material i fysik och kemi genom att räkna ut ta reda på hur magnetfältet kan användas för att bestämma andra magnetiska egenskaper eller hur man lokaliserar föremål djupt under jordens yta. De kan låta forskare bestämma placeringen av kolavlagringar och kartlägga jordens inre. Militärpersonal tycker att dessa enheter är användbara för lokalisering av ubåtar, och astronomer tycker att de är fördelaktiga för att utforska hur föremål i rymden påverkas av jordens magnetfält.