Magnetometru

Magnetometru - (din gr. μαγνητό - magnet + gr. μετρεω Măsurez), un dispozitiv pentru măsurarea caracteristicilor câmpului magnetic și a proprietăților magnetice ale materialelor. În funcție de valoarea măsurată, există dispozitive pentru măsurarea intensității câmpului (oerstedmetre), a direcției câmpului ( înclinatoare și declinatoare), a gradientului de câmp (gradientometre), a inducției magnetice (teslametre), a fluxului magnetic (webermetre, sau fluxmetre), a forței coercitive (coercimetre). ), permeabilitate magnetică (mu-metri), susceptibilitate magnetică (kappa-metre), moment magnetic .

În funcție de natura mărimii măsurate, magnetometrele sunt calibrate în anumite unități (intensitatea câmpului magnetic, unitățile de inducție magnetică, direcția câmpului magnetic etc.).

Magnetometrele sunt utilizate în:

geologie , în căutarea mineralelor ;
arheologie , în săpăturile arheologice ;
navigație pe mare, în spațiu și aviație;
informații militare pentru a detecta submarinele scufundate;
biologie și medicină ;
seismologie (predicția cutremurelor);
experimente științifice;
geocronologie magnetică .

Principii fizice de funcționare a magnetometrelor

Magnetometre magnetostatice

Pe baza măsurării momentelor mecanice care acţionează asupra elementului sensibil al dispozitivului (de exemplu, un mic magnet permanent) în câmpul măsurat. Când este expus la un câmp extern care nu coincide cu direcția câmpului acestui magnet permanent, magnetul sensibil experimentează un cuplu care depinde de puterea câmpului extern măsurat și de orientarea câmpului magnetului de măsurare și a celui extern. camp. Magnetul de măsurare este suspendat pe o suspensie elastică pentru torsiune; câmpul exterior este determinat de gradul de răsucire, ținând cont de orientarea dispozitivului . $H$

Momentul pe un magnet sensibil (indicator) este exprimat printr-un produs vectorial :

{\vec {J}}=[{\vec {M}},{\vec {H}}]

unde este momentul magnetic al magnetului indicator. $M$

Momentul mecanic rezultat în magnetometrele de diferite modele este echilibrat în diferite moduri: $J$

momentul de torsiune a suspensiei elastice (de obicei la magnetometrele sensibile din filament de cuarț (magnetometrele și variometrele magnetice universale pe o întindere de cuarț au o sensibilitate de până la ~1 nT);
moment în sistemul pârghiei echilibrat de gravitație (balanța magnetică cu sensibilitate ~ nT); $10^{{-15}}$
moment care actioneaza asupra magnetului permanent de referinta auxiliar instalat in pozitia dorita (axele indicatorului si magnetii auxiliari in pozitie de echilibru sunt reciproc perpendiculare). Într-o suspensie elastică, magneții indicatori au propria frecvență de oscilații de rotație, care depinde de elasticitatea suspensiei și de puterea câmpului extern. În același timp, se măsoară perioadele acestor oscilații, ceea ce face posibilă determinarea intensității câmpului magnetic (metoda Gauss absolută).

Principala aplicație a magnetometrelor magnetostatice este măsurarea direcției și a valorii absolute a intensității câmpului geomagnetic , a gradientului de câmp, precum și a proprietăților magnetice ale substanțelor.

Magnetometre cu inducție

Acestea se bazează pe fenomenul de inducție electromagnetică - apariția emf într-o bobină de măsurare atunci când fluxul magnetic care trece prin circuitul său se modifică . Modificarea debitului în bobină se poate datora: $\Theta$

cu o modificare a mărimii sau direcției câmpului măsurat în timp (exemple sunt variometrele cu inducție, fluxmetrele). Cel mai simplu fluxmetru (webermetru) este un galvanometru balistic , care funcționează într-un mod foarte suprasedat (G ~ Wb / diviziune); Webermetre magnetoelectrice cu G ~ Wb/div, webbermetre fotoelectrice cu G ~ Wb/div și altele sunt utilizate pe scară largă. $10^{{-4}}$ $10^{-6}$ $10^{{-8}}$
cu o modificare periodică a poziţiei (rotaţie, oscilaţie) a bobinei de măsurare în câmpul măsurat (Fig. 2); cele mai simple teslametre cu bobină pe arborele unui motor sincron au G ~ Tl . Cele mai sensibile magnetometre vibratoare au G ~ 0,1–1 nT. $10^{{-8}}$
cu o modificare a rezistenței magnetice a bobinei de măsurare, care se realizează prin modificarea periodică a permeabilității magnetice a miezului de permalloy (este magnetizat periodic la saturație printr-un câmp de excitație alternativ alternativ); magnetometrele cu feromodulație [1] care funcționează conform acestui principiu au G ~ 0,2–1 nT.

Magnetometrele cu inducție sunt folosite pentru măsurarea câmpurilor magnetice terestre și cosmice, câmpuri tehnice, în magnetobiologie etc.

Magnetometru vibrator
Fluxmetru
Magnetometru cu ferosondă.

Magnetometre cuantice

Instrumente bazate pe precesia liberă a momentelor magnetice ale nucleelor sau electronilor într-un câmp magnetic extern și alte efecte cuantice ( rezonanța magnetică nucleară , rezonanța paramagnetică electronică ). Pentru a observa dependența frecvenței de precesiune a momentelor magnetice ale microparticulelor de puterea câmpului măsurat ( , unde este raportul magnetomecanic), este necesar să se creeze un moment magnetic macroscopic al unui ansamblu de microparticule (nuclei sau electroni) . În funcție de metoda de creare a unui moment magnetic macroscopic și de metoda de detectare a semnalului, se disting: magnetometre cu protoni (precesiune liberă, cu polarizare dinamică și cu polarizare sincronă), magnetometre rezonante (electronice și nucleare), magnetometre cu pompare optic etc. magnetometrele sunt folosite pentru a măsura intensitatea câmpului câmpurilor magnetice slabe (inclusiv câmpurile geomagnetice și magnetice din spațiul cosmic), în explorarea geologică, în magnetochimie (G la - nT). Magnetometrele cuantice pentru măsurarea câmpurilor magnetice puternice au o sensibilitate mult mai mică (G ~ Tl). $\Omega$ $Bună}}$ $\Omega =\gamma \times H_{{i}}$ $\gamma$ $10^{-5}$ $10^{{-7}}$ $10^{-5}$

Magnetometru cu protoni.
Magnetometru cu heliu.
Magnetometru Overhauser.
Magnetometru atomic de metal alcalin cu pompare optică.
- - Magnetometru atomic fără lărgire a schimbului de spin (magnetometru SERF)
SQUID ( ing. SQUID ).

Sensibilitatea unui magnetometru cuantic este determinată de următoarea relație [2] : $G$

$G=k\Gamma /{\gamma S_{n}}$

unde este o constantă, este lățimea liniei spectrale , este raportul giromagnetic și este raportul semnal-zgomot. Sensibilitatea este independentă de frecvența Larmor . Magnetometrele Overhauser, a căror frecvență Larmor este de 0,042 Hz/nT, magnetometrele cu cesiu și heliu-4 cu 3,5 Hz/nT și, respectiv, 28 Hz/nT, au aceeași sensibilitate. Lățimea liniei spectrale pentru diferite magnetometre cuantice este dată în tabel. $k$ $\Gamma$ $\gamma$ $S_{n}$ $\Gamma$

Comparația magnetometrelor

Tabelul 1. Lățimea liniei de rezonanță magnetică în diverse magnetometre

Tip de magnetometru	Lățimea liniei de rezonanță naturală, , nT (într-un câmp de ~50 µT) $\Gamma$
cesiu	$douăzeci$
Heliu-3	$2,74x10^{{-5}}$
Heliu-4	$70$
Overhauser	$patru$
Potasiu	$0,1-10$
Proton	$cincisprezece$

Utilizarea magnetometrelor în medicină

Tabelul 2. Caracteristicile generale ale câmpurilor magnetice în biologie [3]

Valoarea câmpului magnetic, T	Surse de magnetometru și evaluare	Tip de magnetometru
$10^{{-2}}-10^{{-3}}$	Câmp maxim admis la locul de muncă
$10^{{-4}}-10^{{-7}}$	Câmp geomagnetic	senzor Hall
$10^{{-8}}$	interferență magnetică în oraș,	ferosondă
$10^{{-9}}$	Pragul reacțiilor magnetobiologice	ferosondă
$10^{{-10}}$	Semnal de organe electrice de pește, zgomot geomagnetic, inimă, incluziuni feromagnetice	Inducţie
$10^{{-11}}$	Mușchii scheletici, ochii	Magnetometru pompat optic
$10^{-12}$	Context și activitatea cerebrală evocată	Magnetometru pompat optic
$10^{{-13}}$	Retină	Magnetometru pompat optic
$10^{{-14}}$	Sensibilitate la SQUID	CALMAR

Calibrarea magnetometrelor

Câteva fapte ale dezvoltării magnetometriei în Rusia

Omul de știință rus M. V. Lomonosov în 1759 în raportul său „Discurs despre marea acuratețe a rutei maritime” a dat sfaturi valoroase pentru a crește acuratețea citirilor busolei [4] . Pentru a studia magnetismul terestru, M. V. Lomonosov a recomandat organizarea unei rețele de puncte permanente (observatoare) în care să se facă observații magnetice sistematice; astfel de observații ar trebui efectuate pe scară largă și pe mare. Ideea lui Lomonosov de a organiza un observator magnetic a fost realizată doar 60 de ani mai târziu în Rusia.

În 1956, au fost efectuate măsurători ale câmpului magnetic pe goeleta sovietică Zarya. Toate materialele și articolele economiei navei de pe această goeletă au fost fabricate din lemn și aliaje nemagnetice, influența câmpurilor magnetice ale motoarelor și altor echipamente este redusă la minimum. În prezent, întregul glob este acoperit cu o rețea de puncte în care se fac măsurători magnetice (de exemplu, rețeaua internațională de stații magnetometrice INTERMAGNET).

În 1936 , pentru prima dată în lume, geograful sovietic A. A. Logachev (împreună cu A. T. Maiboroda) a proiectat un aeromagnetometru - un dispozitiv care vă permite să măsurați câmpul magnetic al Pământului dintr-un avion [5] . Bobina unui aeromagnetometru se rotește rapid în câmpul magnetic al Pământului și în ea ia naștere un curent electric. Puterea acestui curent se modifică proporțional cu modificarea câmpului magnetic al Pământului.

Vezi și

Detector de anomalii magnetice
Centrul Lviv al Institutului de Cercetare Spațială al Academiei Naționale de Științe și al Agenției Spațiale Naționale a Ucrainei - producție de magnetometre
magnetometru Mx

Literatură

Voinarovsky P.D .,. Dispozitive electrice de măsură // Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Efron : în 86 de volume (82 de volume și 4 suplimentare). - Sankt Petersburg. , 1890-1907.
Pomerantsev N. M., Ryzhkov V. M., Skrotsky G. V. Fundamentele fizice ale magnetometriei cuantice, M., 1972;

Link -uri

Proiect de magnetometru atomic la scară de cip NIST (link indisponibil) . Data accesului: 25 ianuarie 2011. Arhivat din original pe 14 martie 2012. (nedefinit)
Magnetometru - articol din Marea Enciclopedie Sovietică .

Note

↑ Magnetometru - articol din Enciclopedia fizică
↑ Magnetometru Magnetometre Geofizică Senzori de câmp magnetic Gradiometre Gradiometre . Preluat la 12 iulie 2022. Arhivat din original la 9 iulie 2022. (nedefinit)
↑ Yu. A. Kholodov, A. N. Kozlov, A. M. Gorbach, „Câmpurile magnetice ale obiectelor biologice”, Moscova, „Nauka”, 1987
↑ Lomonosov M.V. Discurs despre acuratețea mai mare a traseului maritim (1759). (Rusă)
↑ Logaciov Alexander Andreevici . Preluat la 6 noiembrie 2020. Arhivat din original la 21 septembrie 2020. (nedefinit)