Τι είναι ένα μαγνητόμετρο;

Περιεχόμενο

• Ο αισθητήρας του μαγνητόμετρου
• Χρήσεις του μαγνητόμετρου
• Μαγνητόμετρα σε Υλικά
• Φυσική πίσω από το μαγνητόμετρο
• Μαγνητόμετρα Φαινόμενα
• Άλλα φαινόμενα μαγνητόμετρου
• Ακριβείς μετρήσεις μαγνητόμετρου
• Το μαγνητόμετρο στην πράξη

Μαγνητόμετρα(μερικές φορές γραμμένο ως "μετρητής μαγνητών") μετρά την ισχύ και την κατεύθυνση του μαγνητικό πεδίο, που συνήθως δίνονται σε μονάδες teslas. Καθώς τα μεταλλικά αντικείμενα έρχονται σε επαφή ή πλησιάζουν στο μαγνητικό πεδίο της Γης, εμφανίζουν μαγνητικές ιδιότητες.

Για υλικά με τέτοια σύνθεση μετάλλων και μεταλλικών κραμάτων που αφήνουν ελεύθερα τα ηλεκτρόνια και τη ροή φορτίου, εκπέμπονται μαγνητικά πεδία. Μια πυξίδα είναι ένα καλό παράδειγμα ενός μεταλλικού αντικειμένου που έρχεται σε αλληλεπίδραση με το γήινο μαγνητικό πεδίο, έτσι ώστε η βελόνα να δείχνει προς το μαγνητικό βορρά.

Τα μαγνητόμετρα μετρούν επίσης το πυκνότητα μαγνητικής ροής, την ποσότητα μαγνητικής ροής σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Μπορείτε να σκεφτείτε τη ροή ως ένα δίχτυ που επιτρέπει τη ροή του νερού μέσα από αυτό αν γωνία προς την κατεύθυνση ενός ρεύματος ποταμών. Η ροή μετράει πόσο από το ηλεκτρικό πεδίο ρέει μέσω αυτού με αυτόν τον τρόπο.

Μπορείτε να προσδιορίσετε το μαγνητικό πεδίο από αυτή την τιμή εάν το μετρήσετε σε μια συγκεκριμένη επίπεδη επιφάνεια όπως ένα ορθογώνιο φύλλο ή μια κυλινδρική θήκη. Αυτό σας επιτρέπει να καταλάβετε πώς το μαγνητικό πεδίο που ασκεί δύναμη σε ένα αντικείμενο ή ένα κινούμενο φορτισμένο σωματίδιο εξαρτάται από τη γωνία μεταξύ της περιοχής και του πεδίου.

Ο αισθητήρας του μαγνητόμετρου

Ο αισθητήρας ενός μαγνητομέτρου ανιχνεύει την πυκνότητα μαγνητικής ροής που μπορεί να μετατραπεί σε μαγνητικό πεδίο. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν μαγνητόμετρα για να ανιχνεύουν εναποθέσεις σιδήρου στη Γη μετρώντας το μαγνητικό πεδίο που εκπέμπεται από διάφορες δομές του βράχου. Οι επιστήμονες μπορούν επίσης να χρησιμοποιούν μαγνητόμετρα για τον προσδιορισμό των θέσεων ναυαγίων και άλλων αντικειμένων κάτω από τη θάλασσα ή κάτω από τη γη.

Ένα μαγνητόμετρο μπορεί να είναι είτε φορέας είτε κλιμακωτός. Διανυσματικά μαγνητόμετρα ανίχνευση της πυκνότητας ροής σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση στο διάστημα ανάλογα με τον τρόπο προσανατολισμού. Βαθιά μαγνητόμετρα, από την άλλη πλευρά, ανιχνεύει μόνο το μέγεθος ή την ισχύ του διανύσματος ροής, όχι τη θέση της γωνίας στην οποία μετράται.

Χρήσεις του μαγνητόμετρου

Τα έξυπνα τηλέφωνα και άλλα κινητά τηλέφωνα χρησιμοποιούν ενσωματωμένα μαγνητόμετρα για τη μέτρηση μαγνητικών πεδίων και τον προσδιορισμό του βορρά μέσω του ρεύματος από το ίδιο το τηλέφωνο. Συνήθως τα smartphones σχεδιάζονται με σκοπό να είναι πολυδιάστατα για τις εφαρμογές και τις λειτουργίες που μπορούν να υποστηρίξουν. Τα smartphones χρησιμοποιούν επίσης την έξοδο από ένα επιτάχυντρο του κινητού τηλεφώνου και τη μονάδα GPS για να καθορίσουν τις διευθύνσεις των θέσεων και της πυξίδας.

Αυτά τα επιταχυνσιόμετρα είναι ενσωματωμένες συσκευές που μπορούν να καθορίσουν τη θέση και τον προσανατολισμό των έξυπνων τηλεφώνων, όπως είναι η κατεύθυνση που δείχνετε. Αυτά χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που βασίζονται σε γυμναστήριο και υπηρεσίες GPS μετρώντας πόσο γρήγορα επιταχύνει το τηλέφωνό σας. Λειτουργούν με τη χρήση αισθητήρων μικροσκοπικών κρυσταλλικών δομών που μπορούν να ανιχνεύσουν ακριβείς, μικρές μεταβολές στην επιτάχυνση, υπολογίζοντας τη δύναμη που ασκείται πάνω τους.

Ο χημικός μηχανικός Bill Hammack είπε ότι οι μηχανικοί δημιουργούν αυτά τα επιταχυνσιόμετρα από πυρίτιο έτσι ώστε να παραμένουν ασφαλή και σταθερά σε smartphones ενώ κινούνται. Αυτά τα τσιπ έχουν ένα κομμάτι που ταλαντεύεται ή κινείται εμπρός και πίσω, τα οποία ανιχνεύουν σεισμικές κινήσεις. Το κινητό τηλέφωνο μπορεί να ανιχνεύσει την ακριβή κίνηση ενός φύλλου πυριτίου σε αυτή τη συσκευή για να καθορίσει την επιτάχυνση.

Μαγνητόμετρα σε Υλικά

Ένα μαγνητόμετρο μπορεί να ποικίλει σε μεγάλο βαθμό από τον τρόπο λειτουργίας του. Για το απλό παράδειγμα μιας πυξίδας, η βελόνα μιας πυξίδας ευθυγραμμίζεται με το βόρειο τμήμα του μαγνητικού πεδίου της Γης έτσι ώστε, όταν είναι σε κατάσταση ηρεμίας, να βρίσκεται σε ισορροπία. Αυτό σημαίνει ότι το άθροισμα των δυνάμεων που ενεργούν επάνω σε αυτό είναι μηδέν και το βάρος της συμπαγούς βαρύτητας εξουδετερώνεται με τη μαγνητική δύναμη από τη Γη που ενεργεί επάνω σε αυτήν. Αν και το παράδειγμα είναι απλό, απεικονίζει την ιδιότητα του μαγνητισμού που επιτρέπει σε άλλα μαγνητόμετρα να λειτουργούν.

Οι ηλεκτρονικές πυξίδες μπορούν να καθορίσουν ποια κατεύθυνση είναι το μαγνητικό βορρά χρησιμοποιώντας φαινόμενα όπως το Hall effect, μαγνητοεπαγωγή, ή mangetoresistance.

Φυσική πίσω από το μαγνητόμετρο

Το φαινόμενο Hall σημαίνει ότι οι αγωγοί που έχουν ηλεκτρικά ρεύματα που ρέουν διαμέσου τους δημιουργούν μια τάση κάθετη προς το πεδίο και την κατεύθυνση του ρεύματος. Αυτό σημαίνει ότι τα μαγνητόμετρα μπορούν να χρησιμοποιήσουν ημιαγώγιμο υλικό για να περάσουν το ρεύμα και να καθορίσουν εάν υπάρχει ένα μαγνητικό πεδίο κοντά.Μετράει τον τρόπο με τον οποίο το ρεύμα είναι παραμορφωμένο ή υπό γωνία λόγω του μαγνητικού πεδίου και η τάση στην οποία συμβαίνει αυτό είναι η Τάση αίματος, η οποία θα πρέπει να είναι ανάλογη προς το μαγνητικό πεδίο.

Μαγνητοκατευθυντικότητα οι μέθοδοι, αντίθετα, μετρούν το πώς μαγνητίζεται ένα υλικό ή γίνεται όταν εκτίθεται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Αυτό συνεπάγεται τη δημιουργία καμπύλες απομαγνητισμού, επίσης γνωστές ως καμπύλες B-H ή καμπύλες υστέρησης, που μετρούν τη μαγνητική ροή και τη δύναμη μαγνητικής δύναμης μέσω υλικού όταν εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο.

Αυτές οι καμπύλες επιτρέπουν στους επιστήμονες και τους μηχανικούς να ταξινομούν υλικό που κατασκευάζει συσκευές όπως μπαταρίες και ηλεκτρομαγνήτες ανάλογα με το πώς αυτά τα υλικά αποκρίνονται στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Μπορούν να καθορίσουν ποια μαγνητική ροή και να ωθήσουν αυτά τα υλικά να βιώσουν όταν εκτίθενται στα εξωτερικά πεδία και ταξινομούντάς τα με μαγνητική δύναμη.

Τελικά, μαγνητοαντίσταση οι μέθοδοι στα μαγνητόμετρα βασίζονται στην ανίχνευση της ικανότητας των αντικειμένων να αλλάζουν ηλεκτρική αντίσταση όταν εκτίθενται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Παρόμοια με τις τεχνικές μαγνητικής επαγωγής, τα μαγνητόμετρα εκμεταλλεύονται το ανισοτροπική μαγνητοαντίσταση (AMR) των σιδηρομαγνητών, τα υλικά τα οποία, αφού υποστούν μαγνητισμό, παρουσιάζουν μαγνητικές ιδιότητες ακόμη και μετά την αφαίρεση του μαγνητισμού.

Η AMR περιλαμβάνει την ανίχνευση μεταξύ της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού ρεύματος και της μαγνήτισης παρουσία μαγνητισμού. Αυτό συμβαίνει καθώς οι περιστροφές των τροχιακών ηλεκτρονίων που συνθέτουν το υλικό ανακατανέμονται με την παρουσία ενός εξωτερικού πεδίου.

Η περιστροφή ηλεκτρονίων δεν είναι το πώς ένα ηλεκτρόνιο γυρίζει πραγματικά σαν να ήταν μια περιστρεφόμενη κορυφή ή σφαίρα, αλλά είναι, μάλλον, μια εγγενής κβαντική ιδιότητα και μια μορφή γωνιακής ορμής. Η ηλεκτρική αντίσταση έχει μέγιστη τιμή όταν το ρεύμα είναι παράλληλο με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, έτσι ώστε το πεδίο να μπορεί να υπολογιστεί κατάλληλα.

Μαγνητόμετρα Φαινόμενα

ο mangetoresistive αισθητήρες σε μαγνητόμετρα βασίζονται σε θεμελιώδεις νόμους της φυσικής στον προσδιορισμό του μαγνητικού πεδίου. Αυτοί οι αισθητήρες εμφανίζουν το φαινόμενο Hall παρουσία μαγνητικών πεδίων έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια μέσα σε αυτά να ρέουν σε σχήμα τόξου. Όσο μεγαλύτερη είναι η ακτίνα αυτής της κυκλικής, περιστρεφόμενης κίνησης, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαδρομή που λαμβάνουν τα φορτισμένα σωματίδια και το ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο.

Με τις αυξανόμενες κινήσεις τόξου, η διαδρομή έχει μεγαλύτερη αντίσταση και έτσι η συσκευή μπορεί να υπολογίσει ποιο είδος μαγνητικού πεδίου θα ασκούσε αυτή τη δύναμη στο φορτισμένο σωματίδιο.

Αυτοί οι υπολογισμοί περιλαμβάνουν την κινητικότητα φορέα ή ηλεκτρονίων, πόσο γρήγορα ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί μέσω ενός μετάλλου ή ημιαγωγού παρουσία ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Παρουσιάζοντας το φαινόμενο Hall, ονομάζεται μερικές φορές το Κινητικότητα στο Hall.

Μαθηματικά, η μαγνητική δύναμη φά είναι ίση με το φορτίο του σωματιδίου q το σταυροειδές προϊόν της ταχύτητας των σωματιδίων v και το μαγνητικό πεδίο σι. Παίρνει τη μορφή του Lorentz εξίσωση για μαγνητισμό F = q (νχ Β) στο οποίο Χ είναι το σταυροειδές προϊόν.

••• Syed Hussain Ather

Αν θέλετε να προσδιορίσετε το διασταυρούμενο προϊόν μεταξύ δύο διανυσμάτων ένα και σι, μπορείτε να υπολογίσετε ότι ο φορέας που προκύπτει ντο έχει το μέγεθος του παραλληλόγραμμου ότι οι δύο φορείς καλύπτουν. Ο προκύπτων διασταυρούμενος φορέας προϊόντος βρίσκεται στην κατεύθυνση κάθετη προς ένα και σι που δίνεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού.

Ο κανόνας του δεξιού χεριού σας λέει ότι εάν τοποθετήσετε το δεξιό δείκτη σας προς την κατεύθυνση του φορέα b και του δεξιού μεσαίου δακτύλου προς την κατεύθυνση του φορέα a, ντο πηγαίνει στην κατεύθυνση του δεξί σας αντίχειρα. Στο παραπάνω διάγραμμα εμφανίζεται η σχέση μεταξύ αυτών των κατευθύνσεων των τριών διανυσμάτων.

••• Syed Hussain Ather

Η εξίσωση Lorentz σας λέει ότι με μεγαλύτερο ηλεκτρικό πεδίο υπάρχει περισσότερη ηλεκτρική δύναμη που ασκείται σε ένα κινούμενο φορτισμένο σωματίδιο στο πεδίο. Μπορείτε επίσης να αναφέρετε τρεις φορείς μαγνητικής δύναμης, μαγνητικού πεδίου και ταχύτητας του φορτισμένου σωματιδίου μέσω κανόνα δεξιάς πλευράς ειδικά για αυτούς τους φορείς.

Στο παραπάνω διάγραμμα, αυτές οι τρεις ποσότητες αντιστοιχούν στον φυσικό τρόπο που το δεξί σου χέρι δείχνει προς αυτές τις κατευθύνσεις. Κάθε δείκτης και μεσαίο δάχτυλο και αντίχειρας αντιστοιχούν σε μία από τις σχέσεις.

Άλλα φαινόμενα μαγνητόμετρου

Τα μαγνητόμετρα μπορούν επίσης να εντοπιστούν μαγνητοσυστολή, ένας συνδυασμός δύο επιδράσεων. Το πρώτο είναι το Εφέ Joule, ο τρόπος που ένα μαγνητικό πεδίο προκαλεί τη συστολή ή τη διόγκωση ενός φυσικού υλικού. Το δεύτερο είναι το Το αποτέλεσμα του Villari, πώς το υλικό που υπόκειται σε εξωτερικό στρες αλλάζει στο πώς αντιδρά σε μαγνητικά πεδία.

Χρησιμοποιώντας ένα μαγνητοσυστολικό υλικό που εμφανίζει αυτά τα φαινόμενα με τρόπους που είναι εύκολο να μετρηθούν και να εξαρτηθούν το ένα από το άλλο, τα μαγνητόμετρα μπορούν να κάνουν ακόμα πιο ακριβείς και ακριβείς μετρήσεις του μαγνητικού πεδίου. Επειδή το μαγνητοσυστολικό αποτέλεσμα είναι πολύ μικρό, οι συσκευές πρέπει να το μετρήσουν έμμεσα.

Ακριβείς μετρήσεις μαγνητόμετρου

Αισθητήρες Fluxgate δίνουν ένα μαγνητόμετρο ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια στην ανίχνευση μαγνητικών πεδίων. Αυτές οι συσκευές αποτελούνται από δύο μεταλλικά πηνία με σιδηρομαγνητικούς πυρήνες, υλικά τα οποία, αφού υποστούν μαγνήτιση, παρουσιάζουν μαγνητικές ιδιότητες ακόμη και μετά την αφαίρεση της μαγνήτισης.

Όταν καθορίζετε τη μαγνητική ροή ή το μαγνητικό πεδίο που προκύπτει από τον πυρήνα, μπορείτε να υπολογίσετε ποιο ρεύμα ή μεταβαλλόμενο ρεύμα θα το προκάλεσε. Οι δύο πυρήνες τοποθετούνται το ένα δίπλα στο άλλο έτσι ώστε ο τρόπος που τα σύρματα περιελίσσονται γύρω από τον έναν πυρήνα καθρέφτη ο άλλος.

Όταν ένα εναλλασσόμενο ρεύμα, ένα που αναστρέφει την κατεύθυνση του σε τακτά χρονικά διαστήματα, παράγετε ένα μαγνητικό πεδίο και στους δύο πυρήνες. Τα επαγόμενα μαγνητικά πεδία πρέπει να αντιτίθενται μεταξύ τους και να ακυρώνονται το ένα το άλλο εκτός εάν δεν υπάρχει εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Αν υπάρχει εξωτερικό, ο μαγνητικός πυρήνας θα κορεστεί ως απάντηση σε αυτό το εξωτερικό πεδίο. Με τον προσδιορισμό της αλλαγής στο μαγνητικό πεδίο ή τη ροή, μπορείτε να προσδιορίσετε την παρουσία αυτών των εξωτερικών μαγνητικών πεδίων.

Το μαγνητόμετρο στην πράξη

Οι εφαρμογές οποιουδήποτε μαγνητομέτρου κυμαίνονται μεταξύ των κλάδων όπου το μαγνητικό πεδίο είναι σχετικό. Στα εργοστάσια παραγωγής και στις αυτοματοποιημένες συσκευές που δημιουργούν και εργάζονται σε μεταλλικό εξοπλισμό, ένα μαγνητόμετρο μπορεί να εξασφαλίσει ότι οι μηχανές διατηρούν την κατάλληλη κατεύθυνση όταν εκτελούν δράσεις όπως η διάτρηση των μετάλλων ή η κοπή των υλικών σε σχήμα.

Τα εργαστήρια που δημιουργούν και διεξάγουν έρευνα σε δείγματα υλικών πρέπει να κατανοήσουν πώς διάφορες φυσικές δυνάμεις όπως το φαινόμενο Hall αρχίζουν να παίζουν όταν εκτίθενται σε μαγνητικά πεδία. Μπορούν να κατηγοριοποιήσουν μαγνητικές στιγμές ως διαμαγνητικό, παραμαγνητικό, σιδηρομαγνητικό ή αντισφαιρομαγνητικό.

Διαμαγνητικά υλικά δεν έχουν καθόλου ή ελάχιστα μη συζευγμένα ηλεκτρόνια, έτσι δεν παρουσιάζουν πολύ μαγνητική συμπεριφορά, παραμαγνητικός αυτά έχουν άζωτα ηλεκτρόνια για να αφήσουν πεδία να ρέουν ελεύθερα, το σιδηρομαγνητικό υλικό παρουσιάζει μαγνητικές ιδιότητες παρουσία ενός εξωτερικού πεδίου με τις περιστροφές ηλεκτρονίων παράλληλες με τις μαγνητικές περιοχές και αντισφαιρομαγνητική τα υλικά έχουν τις περιστροφές ηλεκτρονίων αντιπαραλληλισμένες με αυτές.

Οι αρχαιολόγοι, οι γεωλόγοι και οι ερευνητές σε παρόμοιες περιοχές μπορούν να ανιχνεύσουν τις ιδιότητες των υλικών στη φυσική και τη χημεία, υπολογίζοντας πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί το μαγνητικό πεδίο για τον προσδιορισμό άλλων μαγνητικών ιδιοτήτων ή τον εντοπισμό αντικειμένων βαθιά κάτω από την επιφάνεια των Γη. Μπορούν να επιτρέψουν στους ερευνητές να καθορίσουν τη θέση των κοιτασμάτων άνθρακα και να χαρτογραφήσουν το εσωτερικό της Γης. Οι στρατιωτικοί επαγγελματίες βρίσκουν χρήσιμες αυτές τις συσκευές για τον εντοπισμό υποβρυχίων και οι αστρονόμοι τους θεωρούν ωφέλιμους για να διερευνήσουν πώς επηρεάζονται τα αντικείμενα στο διάστημα από το μαγνητικό πεδίο της Γης.