Inhoud
- De sensor van de magnetometer
- Gebruik van de magnetometer
- Magnetometers in materialen
- Fysica achter de magnetometer
- Magnetometer verschijnselen
- Andere magnetometer verschijnselen
- Nauwkeurige magnetometer-metingen
- De magnetometer in de praktijk
magnetometers(soms geschreven als "magnetometer") meten sterkte en richting van magnetisch veld, meestal gegeven in eenheden van teslas. Wanneer metalen voorwerpen in contact komen met of in de buurt komen van het magnetische veld van de aarde, vertonen ze magnetische eigenschappen.
Voor materialen met een dergelijke samenstelling van metalen en metaallegeringen die elektronen en lading vrij laten stromen, worden magnetische velden afgegeven. Een kompas is een goed voorbeeld van een metalen voorwerp dat in wisselwerking komt met het magnetische veld van de aarde, zodat de naald naar het magnetische noorden wijst.
Magnetometers meten ook de magnetische fluxdichtheid, de hoeveelheid magnetische flux over een bepaald gebied. Je kunt flux zien als een net waarmee water erdoorheen kan stromen als je in de richting van een rivierstroom stroomt. De flux meet hoeveel van het elektrische veld er op deze manier doorheen stroomt.
U kunt het magnetische veld van deze waarde bepalen als u het meet over een specifiek vlak oppervlak, zoals een rechthoekige plaat of een cilindrische behuizing. Hiermee kun je erachter komen hoe magnetisch veld dat een kracht op een object of een bewegend geladen deeltje uitoefent, afhankelijk is van de hoek tussen het gebied en het veld.
De sensor van de magnetometer
De sensor van een magnetometer detecteert de magnetische fluxdichtheid die kan worden omgezet in magnetisch veld. Onderzoekers gebruiken magnetometers om ijzerafzettingen in de aarde te detecteren door het magnetische veld te meten dat wordt afgegeven door verschillende rotsstructuren. Wetenschappers kunnen ook magnetometers gebruiken om de locaties van scheepswrakken en andere objecten onder de zee of onder de aarde te bepalen.
Een magnetometer kan vector of scalair zijn. Vector magnetometers detecteer de fluxdichtheid in een specifieke richting in de ruimte, afhankelijk van hoe u deze oriënteert. Scalaire magnetometers, aan de andere kant, detecteer alleen de grootte of sterkte van de fluxvector, niet de hoek waarin het wordt gemeten.
Gebruik van de magnetometer
Smartphones en andere mobiele telefoons gebruiken ingebouwde magnetometers om magnetische velden te meten en te bepalen welke richting noordwaarts is via de stroom van de telefoon zelf. Gewoonlijk zijn smartphones ontworpen met het doel multidimensionaal te zijn voor de toepassingen en functies die ze kunnen ondersteunen. Smartphones gebruiken ook de output van een telefoonversnellingsmeter en GPS-eenheid om de locatie en kompasrichtingen te bepalen.
Deze versnellingsmeters zijn ingebouwde apparaten die de positie en oriëntatie van smartphones kunnen bepalen, zoals de richting waarin u deze richt. Deze worden gebruikt in fitness-gebaseerde apps en GPS-diensten door te meten hoe snel uw telefoon versnelt. Ze werken met sensoren van microscopische kristalstructuren die precieze, minieme versnellingsveranderingen kunnen detecteren door de kracht te berekenen die erop wordt uitgeoefend.
Chemisch ingenieur Bill Hammack zei dat ingenieurs deze versnellingsmeters maken van silicium zodat ze veilig en stabiel blijven in smartphones terwijl ze bewegen. Deze chips hebben een deel dat oscilleert, of heen en weer beweegt, dat seismische bewegingen detecteert. De mobiele telefoon kan de precieze beweging van een siliciumvel in dit apparaat detecteren om de versnelling te bepalen.
Magnetometers in materialen
Een magnetometer kan sterk variëren op hoe het werkt. Voor het eenvoudige voorbeeld van een kompas, lijnt de naald van een kompas zichzelf uit met het noorden van het aardmagnetisch veld zodat, wanneer het in rust is, het in evenwicht is. Dit betekent dat de som van de krachten die erop inwerken nul is en het gewicht van de eigen zwaartekracht van het kompas opheft met de magnetische kracht van de aarde die erop inwerkt. Hoewel het voorbeeld eenvoudig is, illustreert het de eigenschap van magnetisme waarmee andere magnetometers werken.
Elektronische kompassen kunnen bepalen welke richting het magnetische noorden is met behulp van fenomenen zoals de Hall-effect, magnetoinductionof mangetoresistance.
Fysica achter de magnetometer
Het Hall-effect betekent dat geleiders waar elektrische stromen doorheen stromen een spanning loodrecht op het veld en de stroomrichting creëren. Dat betekent dat magnetometers halfgeleidend materiaal kunnen gebruiken om stroom door te laten en te bepalen of een magnetisch veld in de buurt is.Het meet de manier waarop stroom wordt vervormd of onder een hoek staat vanwege het magnetische veld, en de spanning waarbij dit optreedt is de Hall-spanning, die evenredig moet zijn met het magnetische veld.
Magnetoinduction methoden meten daarentegen hoe gemagnetiseerd een materiaal is of wordt wanneer het wordt blootgesteld aan een extern magnetisch veld. Dit houdt het creëren in demagnetisatiecurven, ook bekend als B-H-krommen of hysteresecurven, die de magnetische flux en magnetische krachtsterkte door een materiaal meten wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld.
Met deze curven kunnen wetenschappers en ingenieurs materiaal dat bestaat uit apparaten zoals batterijen en elektromagneten classificeren op basis van hoe die materialen reageren op extern magnetisch veld. Ze kunnen bepalen welke magnetische flux en kracht deze materialen ervaren bij blootstelling aan de externe velden en classificeren ze op magnetische sterkte.
Tenslotte, magnetoresistance methoden in magnetometers vertrouwen op het detecteren van het vermogen van een object om de elektrische weerstand te veranderen bij blootstelling aan een extern magnetisch veld. Net als magneto-inductietechnieken maken magnetometers gebruik van de anisotrope magnetoweerstand (AMR) van ferromagneten, materialen die, na te zijn onderworpen aan magnetisatie, magnetische eigenschappen vertonen, zelfs nadat de magnetisatie is verwijderd.
AMR omvat het detecteren tussen de richting van elektrische stroom en magnetisatie in aanwezigheid van magnetisatie. Dit gebeurt als de spins van de elektronenorbitalen waaruit het materiaal bestaat zichzelf herverdelen in de aanwezigheid van een extern veld.
De elektronenspin is niet hoe een elektron daadwerkelijk ronddraait alsof het een tol of bal is, maar is eerder een intrinsieke kwantumeigenschap en een vorm van hoekmomentum. De elektrische weerstand heeft een maximale waarde wanneer de stroom parallel is aan een extern magnetisch veld zodat het veld op de juiste manier kan worden berekend.
Magnetometer verschijnselen
De mangetoresistieve sensoren in magnetometers vertrouwen op fundamentele wetten van de fysica bij het bepalen van het magnetisch veld. Deze sensoren vertonen het Hall-effect in aanwezigheid van magnetische velden, zodat de elektronen in hen in een boogvorm stromen. Hoe groter de straal van deze cirkelvormige, roterende beweging, hoe groter het pad dat de geladen deeltjes afleggen en hoe sterker het magnetische veld.
Met toenemende boogbewegingen heeft het pad ook een grotere weerstand, zodat het apparaat kan berekenen wat voor soort magnetisch veld deze kracht op het geladen deeltje zou uitoefenen.
Deze berekeningen hebben betrekking op de draaggolf of elektronenmobiliteit, hoe snel een elektron door een metaal of halfgeleider kan bewegen in de aanwezigheid van een extern magnetisch veld. In aanwezigheid van het Hall-effect wordt dit soms het Hall mobiliteit.
Wiskundig gezien de magnetische kracht F is gelijk aan de lading van het deeltje q tijd het kruisproduct van de deeltjes snelheid v en magnetisch veld B. Het neemt de vorm aan van de Lorentz-vergelijking voor magnetisme F = q (v x B) waarin X is het kruisproduct.
••• Syed Hussain AtherAls u het kruisproduct tussen twee vectoren wilt bepalen een en b, kun je erachter komen dat de resulterende vector c heeft de grootte van het parallellogram dat de twee vectoren overspannen. De resulterende kruisproductvector staat in de richting loodrecht op een en b gegeven door de rechterhandregel.
De rechterregel geeft aan dat als u uw rechterwijsvinger in de richting van vector b plaatst en uw rechter middelvinger in de richting van vector a, de resulterende vector c gaat in de richting van je rechterduim. In het bovenstaande diagram wordt de relatie tussen deze drie vectorrichtingen weergegeven.
De vergelijking van Lorentz vertelt je dat met een groter elektrisch veld, er meer elektrische kracht wordt uitgeoefend op een bewegend geladen deeltje in het veld. Je kunt ook drie vectoren magnetische kracht, magnetisch veld en snelheid van het geladen deeltje relateren via een rechterhand regel specifiek voor deze vectoren.
In het bovenstaande diagram komen deze drie hoeveelheden overeen met de natuurlijke manier waarop uw rechterhand in deze richtingen wijst. Elke wijsvinger en middelvinger en duim komen overeen met een van de relaties.
Andere magnetometer verschijnselen
Magnetometers kunnen ook detecteren magnetostrictie, een combinatie van twee effecten. De eerste is de Joule-effect, de manier waarop een magnetisch veld de samentrekking of expansie van een fysiek materiaal veroorzaakt. De tweede is de Villari-effect, hoe het materiaal dat wordt blootgesteld aan externe stress verandert in hoe het reageert op magnetische velden.
Met behulp van een magnetostrictief materiaal dat deze verschijnselen vertoont op manieren die gemakkelijk te meten zijn en van elkaar afhankelijk zijn, kunnen magnetometers nog nauwkeurigere en nauwkeurigere metingen van het magnetische veld uitvoeren. Omdat het magnetostrictieve effect erg klein is, moeten apparaten dit indirect meten.
Nauwkeurige magnetometer-metingen
Fluxgate-sensoren geef een magnetometer nog meer precisie bij het detecteren van magnetische velden. Deze apparaten bestaan uit twee metalen spoelen met ferromagnetische kernen, materialen die, na te zijn onderworpen aan magnetisatie, magnetische eigenschappen vertonen, zelfs nadat de magnetisatie is verwijderd.
Wanneer u de magnetische flux of het magnetische veld bepaalt die het gevolg zijn van de kern, kunt u achterhalen welke stroom of verandering in stroom dit heeft veroorzaakt. De twee kernen worden zo naast elkaar geplaatst dat de manier waarop de draden rond de ene kern worden gewikkeld de andere spiegelt.
Wanneer u een wisselstroom gebruikt, die de richting regelmatig omkeert, produceert u een magnetisch veld in beide kernen. De geïnduceerde magnetische velden moeten tegenover elkaar staan en elkaar opheffen als er geen extern magnetisch veld is. Als er een externe is, verzadigt de magnetische kern zichzelf in reactie op dit externe veld. Door de verandering in magnetisch veld of flux te bepalen, kunt u de aanwezigheid van deze externe magnetische velden bepalen.
De magnetometer in de praktijk
De toepassingen van elk magnetometerbereik in verschillende disciplines waarin het magnetisch veld relevant is. In fabrieken en geautomatiseerde apparaten die metalen apparatuur maken en eraan werken, kan een magnetometer ervoor zorgen dat machines de juiste richting behouden wanneer ze acties uitvoeren, zoals door metalen boren of materialen in vorm snijden.
Laboratoria die onderzoek naar monstermaterialen maken en uitvoeren, moeten begrijpen hoe verschillende fysieke krachten, zoals het Hall-effect, een rol spelen bij blootstelling aan magnetische velden. Ze kunnen classificeren magnetische momenten als diamagnetisch, paramagnetisch, ferromagnetisch of antiferromagnetisch.
Diamagnetische materialen geen of weinig ongepaarde elektronen hebben, dus vertonen niet veel magnetisch gedrag, paramagnetisch die hebben ongepaarde elektronen om velden vrij te laten stromen, ferromagnetisch materiaal vertoont magnetische eigenschappen in de aanwezigheid van een extern veld met de elektronenspins evenwijdig aan de magnetische domeinen, en antiferromagnetische materialen hebben de elektronspins antiparallel aan hen.
Archeologen, geologen en onderzoekers in vergelijkbare gebieden kunnen eigenschappen van materialen in fysica en scheikunde detecteren door uit te zoeken hoe het magnetische veld kan worden gebruikt om andere magnetische eigenschappen te bepalen of hoe objecten diep onder het aardoppervlak kunnen worden gevonden. Ze kunnen onderzoekers de locatie van kolenlagen laten bepalen en het aardinterieur in kaart brengen. Militaire professionals vinden deze apparaten nuttig voor het lokaliseren van onderzeeërs en astronomen vinden ze nuttig om te onderzoeken hoe objecten in de ruimte worden beïnvloed door het magnetische veld van de aarde.