Mis on magnetomeeter?

Sisu

• Magnetomeetri andur
• Magnetomeetri kasutusalad
• Materjalide magnetomeetrid
• Füüsika magnetomeetri taga
• Magnetomeetri nähtused
• Muud magnetomeetri nähtused
• Magnetomeetri täpsed mõõtmised
• Magnetomeeter praktikas

Magnetomeetrid(mõnikord kirjutatud kui "magneemõõtur") mõõta tugevust ja suunda magnetväli, tavaliselt antakse teslaühikutes. Kuna metallist esemed puutuvad kokku Maa magnetväljaga või lähenevad sellele, on neil magnetomadused.

Sellise metallide ja metallisulamite koostisega materjalide jaoks, mis lasevad elektronidel ja laengudel vabalt voolata, eraldatakse magnetväljad. Kompass on hea näide metallilise objekti kokkupuutest Maa magnetväljaga nii, et nõel osutab magnetilisele põhjale.

Magnetomeetrid mõõdavad ka magnetvoo tihedus, magnetvoo kogus teatud piirkonnas. Võite mõelda räbust kui võrgust, mis laseb vett sellest voolata, kui kaldute jõe voolu suunas. Voog mõõdab, kui suur osa elektriväljast sel viisil läbi voolab.

Selle väärtuse moodustava magnetvälja saate kindlaks teha, kui mõõdate selle üle kindla tasapinna, näiteks ristkülikukujulise lehe või silindrilise korpuse. Nii saate aru saada, kuidas objektile või liikuvale laetud osakesele jõudu avaldav magnetväli sõltub piirkonna ja välja vahelisest nurgast.

Magnetomeetri andur

Magneemõõturi andur tuvastab magnetvoo tiheduse, mille saab muuta magnetväljaks. Teadlased kasutavad magnetomeetreid raua ladestuste avastamiseks Maal, mõõtes erinevate kivimistruktuuride eraldatud magnetvälja. Teadlased saavad kasutada magnetomeetreid ka laevavrakkide ja muude objektide asukoha määramiseks mere või maa all.

Magnetomeeter võib olla kas vektor või skalaar. Vektormagnetomeetrid tuvastada voo tihedus ruumis kindlas suunas sõltuvalt sellest, kuidas te seda orienteerite. Skalaarsed magnetomeetridseevastu tuvastada ainult voo vektori suurus või tugevus, mitte nurga asukoht, kus seda mõõdeti.

Magnetomeetri kasutusalad

Nutitelefonid ja muud mobiiltelefonid kasutavad sisseehitatud magnetomeetreid, et mõõta magnetvälju ja teha kindlaks, milline suund on põhja läbi telefoni enda voolu. Tavaliselt on nutitelefonid kavandatud eesmärgiga olla mitmemõõtmelised rakenduste ja funktsioonide jaoks, mida nad saavad toetada. Nutitelefonid kasutavad asukoha ja kompassi suuna määramiseks ka telefonide kiirendusmõõturi ja GPS-i väljundit.

Need kiirendusmõõturid on sisseehitatud seadmed, mis määravad nutitelefonide asukoha ja suuna, näiteks suuna, kuhu suunate. Neid kasutatakse treeningupõhistes rakendustes ja GPS-teenustes, mõõtes, kui kiiresti telefon kiireneb. Nende tööks kasutatakse mikroskoopiliste kristallstruktuuride andureid, mis suudavad tuvastada kiirenduse täpsed ja minutilised muutused, arvutades neile avaldatud jõu.

Keemiainsener Bill Hammack ütles, et insenerid loovad need kiirendusmõõturid ränist välja nii, et need püsiksid nutitelefonides liikumise ajal kindlalt ja stabiilsena. Nendel kiipidel on osa, mis võngub või liigub edasi-tagasi ja mis tuvastavad seismilisi liikumisi. Mobiiltelefon tuvastab kiirenduse määramiseks ränilehe täpse liikumise selles seadmes.

Materjalide magnetomeetrid

Magnetomeeter võib selle toimimisest väga erineda. Kompassi lihtsa näite korral joondab kompassi nõel Maa magnetvälja põhjaosa selliselt, et puhkeolekus on see tasakaalus. See tähendab, et sellele mõjuvate jõudude summa on null ja kaastunde enda gravitatsiooni mass kaob seda mõjutava Maa magnetjõuga. Kuigi näide on lihtne, illustreerib see magnetismi omadust, mis laseb teistel magnetomeetritel töötada.

Elektroonilised kompassid saavad selliste nähtuste nagu näiteks abil kindlaks teha, mis suunas on magnetiline põhja Halli efekt, magnetoinduktsioonvõi mangetoresistentsus.

Füüsika magnetomeetri taga

Halli efekt tähendab juhid, mille kaudu voolab elektrivool, pinge, mis on risti voolu välja ja suunaga. See tähendab, et magnetomeetrid võivad kasutada pooljuhtivat materjali voolu läbimiseks ja selle tuvastamiseks, kas läheduses on magnetväli.See mõõdab voolu moonutamist või kaldenurka magnetvälja mõjul ja pinget, milles see toimub, on Halli pinge, mis peaks olema proportsionaalne magnetväljaga.

Magnetjuhtimine meetodid seevastu mõõdavad, kui magnetiseeritud materjal on või muutub kokkupuutel välise magnetväljaga. See hõlmab loomist demagnetiseerimiskõverad, tuntud ka kui B-H kõverad või hüstereesikõverad, mõõdavad magnetvälja kokkupuutel materjali kaudu magnetvoogu ja magnetjõu tugevust.

Need kõverad võimaldavad teadlastel ja inseneridel liigitada materjali, mis koosneb seadmetest nagu patareid ja elektromagnetid, vastavalt sellele, kuidas need materjalid reageerivad välisele magnetväljale. Nad saavad kindlaks teha, millist magnetvoogu ja jõudu need materjalid kogevad kokkupuutel välisväljadega, ja liigitada need magnetilise tugevuse järgi.

Lõpuks magnetoresistentsus Magnetomeetrites kasutatavad meetodid tuginevad objektide võime tuvastamisele, et muuta välise magnetväljaga kokkupuutel elektritakistust. Sarnaselt magnetoinduktsioonitehnikatega kasutavad magnetomeetrid seda anisotroopne magnetoresistentsus (AMR) ferromagnetidest - materjalidest, millel pärast magneteerimist ilmnevad magnetilised omadused ka pärast magnetizeerimise eemaldamist.

AMR hõlmab tuvastamist elektrivoolu suuna ja magnetiseerimise vahel magnetizimise juuresolekul. See juhtub siis, kui materjali moodustavate elektronorbitaalide spinnid jaotavad end välise välja juuresolekul ümber.

Elektroni spinn ei ole see, kuidas elektron tegelikult keerleb, justkui oleks see ketramine või pall, vaid pigem sisemine kvantomadus ja nurkkiiruse vorm. Elektritakistuse maksimaalne väärtus on siis, kui vool on paralleelne välise magnetväljaga, nii et välja saab vastavalt arvutada.

Magnetomeetri nähtused

mangetoresistive andurid magnetomeetrites tuginevad magnetvälja määramisel füüsika põhiseadustele. Need andurid näitavad Halli efekti magnetväljade juuresolekul nii, et neis olevad elektronid voolavad kaarekujuliselt. Mida suurem on selle ringikujulise pöörleva liikumise raadius, seda suuremat teed kulutavad laetud osakesed ja seda tugevam on magnetväli.

Kaare suurenevate liikumiste suurenemisega on trassil ka suurem takistus, nii et seade saab välja arvutada, milline magnetväli seda jõudu laetud osakesele avaldab.

Need arvutused hõlmavad kandja või elektronide liikuvust, kui kiiresti elektron välise magnetvälja juuresolekul läbi metalli või pooljuhi liikuda suudab. Halli efekti juuresolekul nimetatakse seda mõnikord Saali liikuvus.

Matemaatiliselt magnetjõud F on võrdne osakese laenguga q aeg osakeste kiiruse risttulem v ja magnetväli B. See toimub järgmiselt: Lorentzi võrrand magnetismi jaoks F = q (v x B) milles x on risttoode.

••• Syed Hussain Ather

Kui soovite kindlaks teha kahe vektori ristprodukti a ja b, saate aru saada, et saadud vektor c on parallelogrammi suurus, mille kaks vektorit hõlmavad. Saadud rists saaduse vektor on risti suunas a ja b antud parempoolse reegli järgi.

Parempoolne reegel ütleb teile, et kui asetate parema nimetissõrme vektori b suunas ja parema keskmise sõrme vektori a suunas, siis saadakse vektor c läheb parema pöidla suunas. Ülaltoodud diagrammil on näidatud nende kolme vektori suuna suhe.

••• Syed Hussain Ather

Lorentzi võrrand ütleb teile, et suurema elektriväljaga on põllul liikuvale laetud osakesele suurem elektriline jõud. Spetsiaalselt nendele vektoritele mõeldud parempoolse reegli abil saate seostada ka kolme vektori magnetjõudu, magnetvälja ja laetud osakese kiirust.

Ülaltoodud diagrammil vastavad need kolm kogust loomulikule viisile, mida teie parem käsi nendes suundades osutab. Iga indeks ja keskmine sõrm ja pöial vastavad ühele suhtest.

Muud magnetomeetri nähtused

Samuti suudavad magnetomeetrid tuvastada magnetostriktsioon, kahe efekti kombinatsioon. Esimene neist on Džouliefekt, kuidas magnetväli põhjustab füüsikalise materjali kokkutõmbumist või paisumist. Teine on Villari efekt, kuidas välisele stressile mõjuv materjal muutub, kuidas see reageerib magnetväljadele.

Kasutades magnetostriktiivset materjali, mis eksponeerib neid nähtusi hõlpsasti mõõdetavatel ja üksteisest sõltuvatel viisidel, saavad magnetomeetrid magnetvälja veelgi täpsemad ja täpsemad mõõtmised. Kuna magnetostriktiivne efekt on väga väike, peavad seadmed seda kaudselt mõõtma.

Magnetomeetri täpsed mõõtmised

Fluxgate andurid andke magnetomeetrile magnetväljade tuvastamisel veelgi täpsust. Need seadmed koosnevad kahest ferromagnetiliste südamikega metallimähistest - materjalidest, millel pärast magneteerimist ilmnevad magnetilised omadused ka pärast magnetizeerimise eemaldamist.

Tuumast tuleneva magnetvoo või magnetvälja määramisel saate välja mõelda, milline vool või voolu muutumine võis selle põhjustada. Kaks südamikku asetsevad üksteise kõrval nii, et juhtmete keerdumise viis ümber ühe südamiku peegeldaks teist.

Kui teil on vahelduvvool, mis pöördub korrapäraste ajavahemike järel oma suunda, siis tekitate mõlemas südamikus magnetvälja. Indutseeritud magnetväljad peaksid teineteisele vastu olema ja välised magnetväljad puuduvad. Kui on mõni väline, küllastub magnetiline tuum vastuseks sellele välisele väljale. Magnetvälja või voo muutuse määramise abil saate kindlaks teha nende väliste magnetväljade olemasolu.

Magnetomeeter praktikas

Mis tahes magnetomeetri vahemiku rakendused erialadel, kus magnetväli on asjakohane. Metalliseadmeid loovates ja nendel töötavates tootmisettevõtetes ja automatiseeritud seadmetes saab magnetomeetriga tagada, et masinad säilitavad vajaliku suuna, kui nad teostavad selliseid toiminguid nagu metallide puurimine või materjalide kuju lõikamine.

Proovimaterjalide uuringuid loovad ja neid läbi viivad laborid peavad mõistma, kuidas magnetväljas kokkupuutel toimivad mitmesugused füüsikalised jõud, näiteks Halli efekt. Neid saab klassifitseerida magnetilised hetked kui diamagnetiline, paramagneetiline, ferromagnetiline või antiferromagnetiline.

Diamagneetilised materjalid ei oma paaris elektrone või on neid vähe, nii et neil pole palju magnetilist käitumist, paramagnetiline neil on paarimata elektrone, mis lasevad väljadel vabalt voolata, ferromagnetilistel materjalidel on välise välja juuresolekul magnetilised omadused, kui elektronide spinnid on paralleelsed magnetdomeenidega, ja antiferromagnetiline materjalidel on elektronide keerdumine paralleelselt nendega.

Arheoloogid, geoloogid ja sarnaste alade teadlased saavad füüsika- ja keemiamaterjalide omadusi tuvastada, mõeldes, kuidas saab magnetvälja kasutada muude magnetomaduste määramiseks või kuidas objekte leida sügaval Maa pinna all. Nad võivad lasta teadlastel kindlaks teha söemaardlate asukoha ja kaardistada Maa sisemuse. Sõjaväespetsialistid leiavad, et need seadmed on allveelaevade asukoha määramiseks kasulikud, ja astronoomid peavad neid kasulikuks uurimaks, kuidas kosmoseobjekte mõjutab Maa magnetväli.