Mikä on magneettimittari?

Sisältö

• Magneetometrin anturi
• Magnetometrin käyttö
• Materiaalien magnetometrit
• Fysiikka magnetometrin takana
• Magnetometrin ilmiöt
• Muut magneettimittari-ilmiöt
• Tarkat magnetometrimittaukset
• Magnetometri käytännössä

magnetometrit(joskus kirjoitettu nimellä "magneettimittari") mittaa magneettikenttä, yleensä annettu teslasyksikköinä. Kun metalliset esineet ovat kosketuksissa tai lähelle maapallon magneettikenttää, niillä on magneettisia ominaisuuksia.

Materiaaleille, joissa on sellainen metallien ja metalliseosten koostumus, jotka antavat elektroneille ja varaukselle virtaa vapaasti, magneettikentät vapautuvat. Kompassi on hyvä esimerkki metallisesta esineestä, joka on vuorovaikutuksessa maan magneettikentän kanssa siten, että neula osoittaa magneettiseen pohjoiseen.

Magnetometrit mittaavat myös magneettisen vuon tiheys, magneettisen vuon määrä tietyllä alueella. Voit ajatella vuota verkkona, joka antaa veden virtata sen läpi, jos kulmaat jokien virran suuntaan. Vuo mittaa kuinka suuri osa sähkökentästä virtaa sen läpi tällä tavalla.

Voit määrittää tämän arvon muodostavan magneettikentän, jos mittaat sen tietyllä tasomaisella pinnalla, kuten suorakaiteen muotoisella levyllä tai lieriömäisellä kotelolla. Tämän avulla voit selvittää, kuinka magneettikenttä, joka kohdistaa voimaa esineeseen tai liikkuvaan varautuneeseen hiukkasiin, riippuu alueen ja kentän välisestä kulmasta.

Magneetometrin anturi

Magneettimittarin anturi tunnistaa magneettisen vuon tiheyden, joka voidaan muuntaa magneettikentäksi. Tutkijat havaitsevat magneettimittarien avulla raudan kerrostumia maassa mittaamalla kallion eri rakenteiden lähettämän magneettikentän. Tutkijat voivat myös käyttää magnetometrejä määrittämään hylkyjen ja muiden esineiden sijainnin meren tai maan alla.

Magnetometri voi olla joko vektori tai skalaari. Vektori magnetometrit havaita vuontiheys tiettyyn suuntaan avaruudessa sen mukaan, kuinka orientoit sitä. Skalaariset magnetometrittoisaalta, havaitsee vain vuonvektorin suuruus tai voimakkuus, ei sen kulman sijainti, jossa se mitattiin.

Magnetometrin käyttö

Älypuhelimet ja muut matkapuhelimet käyttävät sisäänrakennettuja magnetometrejä mittaamaan magneettikenttiä ja määrittämään, mikä tie on pohjoiseen puhelimen virran kautta. Älypuhelimet suunnitellaan yleensä moniulotteisiksi sovelluksille ja ominaisuuksille, joita he voivat tukea. Älypuhelimet käyttävät myös puhelimien kiihtyvyysmittarin ja GPS-yksikön lähtöä sijainnin ja kompassin suunnan määrittämiseen.

Nämä kiihtyvyysmittarit ovat sisäänrakennettuja laitteita, jotka voivat määrittää älypuhelimien sijainnin ja suunnan, kuten suunnan, johon osoitat. Niitä käytetään kuntopohjaisissa sovelluksissa ja GPS-palveluissa mittaamalla kuinka nopeasti puhelimesi kiihtyy. Ne toimivat käyttämällä mikroskooppisten kiderakenteiden antureita, jotka voivat havaita tarkkoja, pieniä muutoksia kiihtyvyydessä laskemalla niihin kohdistetun voiman.

Kemian insinööri Bill Hammack sanoi, että insinöörit luovat nämä kiihtyvyysmittarit piistä siten, että ne pysyvät turvallisina ja vakaina älypuhelimissa liikkuessaan. Näissä siruissa on osa, joka värähtelee tai liikkuu edestakaisin ja havaitsee seismiset liikkeet. Matkapuhelin voi havaita piilevyn tarkan liikkeen tässä laitteessa kiihtyvyyden määrittämiseksi.

Materiaalien magnetometrit

Magneetometrin toiminta voi vaihdella suuresti. Kompassin yksinkertaisen esimerkin kohdalla kompassin neula kohdistuu maan pohjoiseen sijaitsevan magneettikentän kanssa siten, että levossa ollessaan tasapainossa. Tämä tarkoittaa sitä, että siihen vaikuttavien voimien summa on nolla ja kompassin oman painovoiman paino poistuu siihen vaikuttavan maan magneettisen voiman avulla. Vaikka esimerkki on yksinkertainen, se kuvaa magnetismin ominaisuutta, jonka avulla muut magnetometrit toimivat.

Elektroniset kompassit voivat määrittää, mikä suunta on magneettinen pohjoinen, käyttämällä ilmiöitä, kuten Hall-ilmiö, magnetoinductiontai mangetoresistance.

Fysiikka magnetometrin takana

Hall-efekti tarkoittaa johtimia, joiden läpi kulkevat sähkövirrat muodostavat jännitteen, joka on kohtisuoraan virran kenttään ja suuntaan nähden. Tämä tarkoittaa, että magnetometrit voivat käyttää puolijohdemateriaalia virran kuljettamiseen ja sen määrittämiseen, onko magneettikenttä lähellä.Se mittaa tapaa, jolla virta vääristyy tai kulmautuu magneettikentän takia, ja jännite, jolla tämä tapahtuu, on Hallijännite, jonka tulisi olla verrannollinen magneettikentään.

Magnetoinduction menetelmät sen sijaan mittaavat, kuinka magnetoitunut materiaali on tai tulee, kun se altistetaan ulkoiselle magneettikentälle. Tähän sisältyy luominen demagnetointikäyrät, joka tunnetaan myös nimellä B-H-käyrät tai hystereesi-käyrät, mittaavat magneettisen vuon ja magneettisen voiman lujuuden materiaalin läpi, kun ne altistetaan magneettikentälle.

Nämä käyrät antavat tutkijoille ja insinööreille luokitella materiaalit, jotka muodostavat laitteita, kuten akkuja ja sähkömagneetteja, sen mukaan, miten nämä materiaalit reagoivat ulkoiseen magneettikentään. He voivat määrittää, mitä magneettista vuoa ja voimaa nämä materiaalit kokevat altistettaessa ulkoisille kentille, ja luokitella ne magneettisen lujuuden perusteella.

Lopuksi magnetoresistanssi Magnetometrissä käytettävät menetelmät luottavat objektien kapasiteetin havaitsemiseen muuttaa sähkövastusta, kun ne altistetaan ulkoiselle magneettikentälle. Samoin kuin magnetoinduktiotekniikoissa, magnetometrit hyödyntävät anisotrooppinen magnetoresistanssi (AMR) ferromagneetteja, materiaaleja, joilla magnetoinnin jälkeen on magneettisia ominaisuuksia myös magnetoinnin poistamisen jälkeen.

AMR sisältää havaitsemisen sähkövirran suunnan ja magnetoinnin välillä magnetoinnin läsnä ollessa. Tämä tapahtuu, kun materiaalin muodostavien elektronien kiertoratojen pyörähdykset jakautuvat uudelleen ulkoisen kentän ollessa läsnä.

Elektronin pyöritys ei ole sitä, kuinka elektron todella pyörii ikään kuin se olisi kehruupää tai pallo, vaan se on pikemminkin luontainen kvanttiominaisuus ja kulmavirran muoto. Sähkövastuksella on suurin arvo, kun virta on yhdensuuntainen ulkoisen magneettikentän kanssa, jotta kenttä voidaan laskea asianmukaisesti.

Magnetometrin ilmiöt

mangetoresistiiviset anturit magnetometrissä luottavat fysiikan peruslakeihin määrittäessään magneettikenttää. Nämä anturit osoittavat Hall-vaikutusta magneettikentän läsnä ollessa siten, että niiden sisällä olevat elektronit virtaavat kaarimuodossa. Mitä suurempi tämän pyöreän pyörivän liikkeen säde, sitä suurempi polku ladattujen hiukkasten kulkee ja sitä voimakkaampi on magneettikenttä.

Kasvavien kaariliikkeiden myötä myös polulla on suurempi vastus, joten laite voi laskea, millainen magneettikenttä aiheuttaisi tämän voiman varautuneelle hiukkaselle.

Nämä laskelmat koskevat kantoaallon tai elektronin liikkuvuutta, kuinka nopeasti elektroni voi liikkua metallin tai puolijohteen läpi ulkoisen magneettikentän ollessa läsnä. Hall-tehosteen läsnäollessa sitä kutsutaan joskus Hallin liikkuvuus.

Matemaattisesti magneettinen voima F on yhtä suuri kuin hiukkasen varaus q aika hiukkasten ristituotteen nopeuden kanssa v ja magneettikenttä B. Se on Lorentzin yhtälö magnetismille F = q (v x B) jossa x on ristituote.

••• Syed Hussain Ather

Jos haluat määrittää kahden vektorin välisen ristituotteen ja b, voit selvittää, että tuloksena oleva vektori C on sen suuntakuvan suuruus, jonka kaksi vektoria ulottuvat. Tulokseksi saatu ristituotevektori on kohtisuorassa suuntaan ja b oikeanpuoleisen säännön perusteella.

Oikeanpuoleinen sääntö kertoo, että jos sijoitat oikean etusormen vektorin b suuntaan ja oikean keskisormeasi vektorin a suuntaan, tuloksena oleva vektori C menee oikean peukalon suuntaan. Yllä olevassa kaaviossa esitetään näiden kolmen vektorisuunnan välinen suhde.

••• Syed Hussain Ather

Lorentzin yhtälö kertoo, että suuremmalla sähkökentällä kentässä liikkuvalle varautuneelle hiukkaselle kohdistuu enemmän sähkövoimaa. Voit myös liittää kolme vektoria magneettisen voiman, magneettikentän ja varautuneen hiukkasen nopeuden oikeanpuoleisen säännön avulla, erityisesti näitä vektoreita varten.

Yllä olevassa kaaviossa nämä kolme määrää vastaavat sitä luonnollista tapaa, jonka oikea käsi osoittaa näihin suuntiin. Jokainen etusormi ja keskisormi ja peukalo vastaa yhtä suhteista.

Muut magneettimittari-ilmiöt

Magnetometrit voivat myös havaita magnetostriktiota, kahden vaikutuksen yhdistelmä. Ensimmäinen on Joule-vaikutus, tapa, jolla magneettikenttä aiheuttaa fyysisen materiaalin supistumisen tai laajenemisen. Toinen on Villari-vaikutus, miten ulkoiselle stressille altistuva materiaali muuttuu reagoidessaan magneettikenttiin.

Käyttämällä magnetostriktiivistä materiaalia, joka näyttää nämä ilmiöt helposti mitattavissa olevilla ja toisistaan ​​riippuvilla tavoilla, magnetometrit voivat tehdä vielä tarkempia ja tarkempia magneettikentän mittauksia. Koska magnetostriktiivinen vaikutus on hyvin pieni, laitteiden on mitattava se epäsuorasti.

Tarkat magnetometrimittaukset

Fluxgate-anturit anna magneettimittarin entistä tarkemmin magneettikenttien havaitsemiseksi. Nämä laitteet koostuvat kahdesta metallikelasta, joissa on ferromagneettiset ytimet, materiaaleista, jotka magnetoinnin jälkeen ovat magneettisia ominaisuuksia myös magnetoinnin poistamisen jälkeen.

Kun määrität magneettisen vuon tai magneettikentän, joka johtuu ytimestä, voit selvittää, mikä virta tai virran muutos on saattanut sen aiheuttaa. Nämä kaksi ydintä asetetaan vierekkäin siten, että tapa, jolla langat kierretään yhden ytimen ympärille, peilaa toista.

Kun vaihtovirta, joka kääntää suuntaansa säännöllisin väliajoin, tuottaa magneettikentän molemmissa ytimissä. Indusoitujen magneettikenttien tulee olla vastakkain toistensa kanssa ja poistaa toisiaan, jos ulkoista magneettikenttää ei ole. Jos on ulkoinen, magneettinen ydin kyllästää itsensä vasteena tähän ulkoiseen kenttään. Määrittämällä magneettikentän tai fluxin muutos, voit selvittää näiden ulkoisten magneettikentien läsnäolon.

Magnetometri käytännössä

Minkä tahansa magnetometrin alueen sovellukset tieteenaloilla, joilla magneettikentällä on merkitystä. Valmistuslaitoksissa ja automatisoiduissa laitteissa, jotka luovat metallisia laitteita ja työskentelevät niiden kanssa, magnetometri voi varmistaa, että koneet ylläpitävät asianmukaista suuntaa suorittaessaan toimenpiteitä, kuten esimerkiksi metallien läpi poraamista tai materiaalien leikkaamista muotoon.

Laboratorioiden, jotka luovat ja tekevät tutkimusta näytemateriaaleista, on ymmärrettävä, kuinka erilaiset fysikaaliset voimat, kuten Hall-efekti, tulevat peliin, kun ne altistetaan magneettikentille. He voivat luokitella magneettiset momentit diamagneettisena, paramagneettisena, ferromagneettisena tai antiferromagneettisena.

Diamagneettiset materiaalit sinulla ei ole paria tai muutamaa parillista elektronia, joten älä osoita paljon magneettista käyttäytymistä, paramagneettinen niissä on parittomia elektroneja, jotta kentät pääsevät virtaamaan vapaasti, ferromagneettisella materiaalilla on magneettisia ominaisuuksia ulkoisen kentän ollessa mukana, kun elektronin pyörii samansuuntaisesti magneettisten domeenien kanssa, ja antiferromagneettinen materiaaleissa on elektroni pyörii rinnakkain niiden kanssa.

Arkeologit, geologit ja vastaavien alueiden tutkijat voivat havaita materiaalien ominaisuudet fysiikassa ja kemiassa selvittämällä, kuinka magneettikenttää voidaan käyttää muiden magneettisten ominaisuuksien määrittämiseen tai kuinka paikattaa esineet syvälle maapallon alla. Ne voivat antaa tutkijoiden määrittää hiiliesiintymien sijainnin ja kartoittaa maan sisäosan. Sotilasammattilaisten mielestä nämä laitteet ovat hyödyllisiä sukellusveneiden paikantamisessa, ja tähtitieteilijöiden mielestä ne ovat hyödyllisiä tutkittaessa, miten avaruuskohteisiin vaikuttaa maapallon magneettikenttä.