Magnetometer

Magnetometer - (fra gr. μαγνητό - magnet + gr. μετρεω jeg måler), en enhed til måling af magnetfeltets karakteristika og materialers magnetiske egenskaber. Afhængigt af den målte værdi findes der apparater til måling af feltstyrke (oerstedmetre), feltretning ( inklinatorer og deklinatorer), feltgradient (gradientometre), magnetisk induktion (teslametre), magnetisk flux (webermetre eller fluxmetre), tvangskraft (coercimetre ). ), magnetisk permeabilitet (mu-meter), magnetisk følsomhed (kappa-meter), magnetisk moment .

Afhængigt af arten af den målte størrelse kalibreres magnetometre i visse enheder (magnetisk feltstyrke, magnetisk induktionsenheder, magnetfeltretning osv.).

Magnetometre bruges i:

geologi , i søgen efter mineraler ;
arkæologi , i arkæologiske udgravninger ;
navigation til søs, i rummet og luftfart;
militær efterretning til at opdage nedsænkede ubåde;
biologi og medicin ;
seismologi (forudsigelse af jordskælv);
videnskabelige eksperimenter;
magnetisk geokronologi .

Fysiske principper for drift af magnetometre

Magnetostatiske magnetometre

Baseret på måling af mekaniske momenter , der påvirker enhedens følsomme element (for eksempel en lille permanent magnet) i det målte felt. Når den udsættes for et eksternt felt, der ikke falder sammen med retningen af denne permanentmagnets felt, oplever den følsomme magnet et drejningsmoment, der afhænger af styrken af det eksterne målte felt og orienteringen af feltet af målemagneten og den eksterne magnet. Mark. Målemagneten er ophængt på et ophæng, der er elastisk for vridning; det ydre felt bestemmes af graden af vridning under hensyntagen til enhedens orientering . $H$

Momentet på en følsom (indikator) magnet udtrykkes ved et vektorprodukt :

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

hvor er det magnetiske moment for indikatormagneten. $M$

Det resulterende mekaniske moment i magnetometre af forskellige designs afbalanceres på forskellige måder: $J$

momentet for vridning af den elastiske suspension (normalt i følsomme magnetometre lavet af kvartsfilament (magnetometre og universelle magnetiske variometre på en kvartsstrækning har en følsomhed på op til ~1 nT);
moment i løftestangssystemet afbalanceret af tyngdekraften (magnetisk balance med følsomhed ~ nT); $10^{{-15}}$
moment, der virker på hjælpereference permanentmagneten installeret i den ønskede position (indikatorens akser og hjælpemagneterne i ligevægtspositionen er indbyrdes vinkelrette). I en elastisk suspension har indikatormagneter deres egen frekvens af rotationsoscillationer, som afhænger af suspensionens elasticitet og styrken af det ydre felt. Samtidig måles perioderne for disse svingninger, hvilket gør det muligt at bestemme styrken af magnetfeltet (den absolutte Gauss-metode).

Hovedanvendelsen af magnetostatiske magnetometre er måling af retningen og den absolutte værdi af den geomagnetiske feltstyrke , feltgradient såvel som stoffers magnetiske egenskaber.

Induktionsmagnetometre

De er baseret på fænomenet elektromagnetisk induktion - forekomsten af emk i en målespole, når den magnetiske flux, der passerer gennem dens kredsløb, ændres . Ændringen i flowet i spolen kan skyldes: $\Theta$

med en ændring i størrelsen eller retningen af det målte felt i tid (eksempler er induktionsvariometre, fluxmetre). Det enkleste fluxmeter (webermeter) er et ballistisk galvanometer , der fungerer i en meget oversederet tilstand (G ~ Wb / division); magnetoelektriske webermetre med G ~ Wb/div, fotoelektriske webermetre med G ~ Wb/div og andre er meget brugt. $10^{{-4}}$ $10^{-6}$ $10^{{-8}}$
med en periodisk ændring i positionen (rotation, oscillation) af målespolen i det målte felt (fig. 2); de enkleste teslametre med en spole på akslen af en synkronmotor har G ~ Tl . De mest følsomme vibrerende magnetometre har G ~ 0,1-1 nT. $10^{{-8}}$
med en ændring i den magnetiske modstand af målespolen, som opnås ved periodisk at ændre den magnetiske permeabilitet af permalloy-kernen (den magnetiseres periodisk til mætning af et ekstra vekslende excitationsfelt); ferromodulation [1] magnetometre, der fungerer efter dette princip, har G ~ 0,2–1 nT.

Induktionsmagnetometre bruges til at måle terrestriske og kosmiske magnetfelter, tekniske felter, i magnetobiologi mv.

Vibrerende magnetometer
Fluxmåler
Ferroprobe magnetometer.

Kvantemagnetometre

Instrumenter baseret på den frie præcession af magnetiske momenter af kerner eller elektroner i et eksternt magnetfelt og andre kvanteeffekter ( kernemagnetisk resonans , elektronparamagnetisk resonans ). For at observere afhængigheden af frekvensen af præcession af de magnetiske momenter af mikropartikler af styrken af det målte felt ( , hvor er det magnetomekaniske forhold), er det nødvendigt at skabe et makroskopisk magnetisk moment af et ensemble af mikropartikler (kerner eller elektroner) . Afhængigt af metoden til at skabe et makroskopisk magnetisk moment og metoden til signaldetektion skelner de mellem: protonmagnetometre (fri præcession, med dynamisk polarisering og med synkron polarisation), resonansmagnetometre (elektroniske og nukleare), optisk pumpede magnetometre osv. Kvante magnetometre bruges til at måle feltstyrken svage magnetiske felter (herunder geomagnetiske og magnetiske felter i det ydre rum), i geologisk udforskning, i magnetokemi (G til - nT). Kvantemagnetometre til måling af stærke magnetiske felter har en meget lavere følsomhed (G ~ Tl). $\Omega$ $Hej}}$ $\Omega =\gamma \time H_{{i}}$ $\gamma$ $10^{-5}$ $10^{{-7}}$ $10^{-5}$

Proton magnetometer.
Helium magnetometer.
Overhauser magnetometer.
Atomisk alkalimetalmagnetometer med optisk pumpning.
- - Atommagnetometer fri for spin-udvekslingsudvidelse (SERF-magnetometer)
SQUID ( eng. SQUID ).

Følsomheden af et kvantemagnetometer bestemmes af følgende forhold [2] : $G$

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

hvor er en konstant, er den spektrale linjebredde , er det gyromagnetiske forhold og er signal-til-støj-forholdet. Følsomheden er uafhængig af Larmor-frekvensen . Overhauser-magnetometre, hvis Larmor-frekvens er 0,042 Hz/nT, cæsium- og helium-4-magnetometre med henholdsvis 3,5 Hz/nT og 28 Hz/nT, har samme følsomhed. Den spektrale linjebredde for forskellige kvantemagnetometre er angivet i tabellen. $k$ $\Gamma$ $\gamma$ $S_{n}$ $\Gamma$

Sammenligning af magnetometre

Tabel 1. Magnetisk resonans linjebredde i forskellige magnetometre

Type magnetometer	Naturlig resonanslinjebredde, , nT (i et felt på ~50 µT) $\Gamma$
Cæsium	$tyve$
Helium-3	$2,74x10^{{-5}}$
Helium-4	$70$
Overhauser	$fire$
Kalium	$0,1-10$
Proton	$femten$

Brugen af magnetometre i medicin

Tabel 2. Generelle karakteristika for magnetiske felter i biologi [3]

Magnetfeltværdi, T	Magnetometerkilder og evaluering	Type magnetometer
$10^{{-2}}-10^{{-3}}$	Maksimalt tilladt felt på arbejdspladsen
$10^{{-4}}-10^{{-7}}$	Geomagnetisk felt	hall sensor
$10^{{-8}}$	Byens magnetiske interferens,	ferrosonde
$10^{{-9}}$	Tærskel for magnetobiologiske reaktioner	ferrosonde
$10^{{-10}}$	Fisk elektrisk organsignal, geomagnetisk støj, hjerte, ferromagnetiske indeslutninger	Induktion
$10^{{-11}}$	Skeletmuskler, øjne	Optisk pumpet magnetometer
$10^{-12}$	Baggrund og fremkaldt hjerneaktivitet	Optisk pumpet magnetometer
$10^{{-13}}$	Nethinden	Optisk pumpet magnetometer
$10^{{-14}}$	Blækspruttefølsomhed	BLÆKSPRUTTE

Kalibrering af magnetometre

Nogle fakta om udviklingen af magnetometri i Rusland

Den russiske videnskabsmand M. V. Lomonosov gav i 1759 i sin rapport "Diskurs om sørutens store nøjagtighed" værdifulde råd for at øge nøjagtigheden af kompasaflæsningerne [4] . For at studere jordisk magnetisme anbefalede M. V. Lomonosov at organisere et netværk af permanente punkter (observatorier), hvori der kunne foretages systematiske magnetiske observationer; sådanne observationer bør også udføres i vid udstrækning til søs. Lomonosovs idé om at organisere et magnetisk observatorium blev realiseret kun 60 år senere i Rusland.

I 1956 blev der udført målinger af magnetfeltet på den sovjetiske skonnert Zarya. Alle materialer og genstande af skibsøkonomien på denne skonnert var lavet af træ og ikke-magnetiske legeringer, påvirkningen af magnetfelterne fra motorer og andet udstyr er minimeret. På nuværende tidspunkt er hele kloden dækket af et netværk af punkter, hvor der foretages magnetiske målinger (f.eks. det internationale netværk af magnetometriske stationer INTERMAGNET).

I 1936 designede den sovjetiske geograf A. A. Logachev (sammen med A. T. Maiboroda) for første gang i verden et aeromagnetometer - en enhed, der giver dig mulighed for at måle Jordens magnetfelt fra et fly [5] . Spolen på et aeromagnetometer roterer hurtigt i jordens magnetfelt, og der opstår en elektrisk strøm i den. Styrken af denne strøm ændres i forhold til ændringen i Jordens magnetfelt.

Se også

Magnetisk anomalidetektor
Lviv Center for Space Research Institute ved National Academy of Sciences og National Space Agency of Ukraine - produktion af magnetometre
Mx magnetometer

Litteratur

Voinarovsky P.D .,. Elektriske måleapparater // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.
Pomerantsev N. M., Ryzhkov V. M., Skrotsky G. V. Fysiske grundlag for kvantemagnetometri, M., 1972;

Noter

↑ Magnetometer - artikel fra Physical Encyclopedia
↑ Magnetometer Magnetometre Geofysik Magnetiske feltsensorer Gradiometer Gradiometre . Hentet 12. juli 2022. Arkiveret fra originalen 9. juli 2022. (ubestemt)
↑ Yu. A. Kholodov, A. N. Kozlov, A. M. Gorbach, "Magnetiske felter af biologiske objekter", Moskva, "Nauka", 1987
↑ Lomonosov M.V. Diskurs om den større nøjagtighed af søvejen (1759). (Russisk)
↑ Logachev Alexander Andreevich . Hentet 6. november 2020. Arkiveret fra originalen 21. september 2020. (ubestemt)