Magnetometr

Magnetometr używany przez US Navy

Magnetometru (znany również potocznie jako Teslameter lub metr Gaussa ) jest czuciowa urządzenia do pomiaru magnetycznego gęstości strumienia . Gęstość strumienia magnetycznego jest mierzona w jednostkach Tesli (T) i zwykłe zakresy pomiarowe magnetometru są w zakresie wielkości około 10 -15  T 10 T Ze względu na duży zakres wartości, różne metody pomiarowe są stosowane w ramach termin „magnetometr”.

Rodzaje

Oto lista najpopularniejszych magnetometrów:

Istnieją również inne czujniki gęstości strumienia magnetycznego, ale są one rzadko używane pod pojęciem magnetometru. Nie są tak czułe i ciche jak te wymienione do tej pory:

  • czujnik XMR; Czujniki cienkowarstwowe, które zmieniają swoją rezystancję bezpośrednio pod wpływem strumienia magnetycznego i dlatego nazywane są „X-MagnetoResistiv”, takie jak czujnik GMR ( olbrzymi , dt. „Wielki, ogromny”, efekt GMR ), czujnik AMR ( anizotropowy , dt. "Anizotropowy" efekt AMR ) lub czujniki CMR ( kolosalne , dt. "Nadwymiarowe").
  • Płyta polowa .

Chociaż czujniki XMR i Halla nie są tak czułe jak wyżej, to ze względu na swoją prostą konstrukcję ( technologia półprzewodnikowa ) i związaną z tym niską cenę produkcji , są one masowo wykorzystywane do prostszych zadań. Należą do nich kompasy , czujniki zbliżeniowe , dyski twarde , czujniki prądu .

podanie

Jednym z klasycznych zadań magnetometru jest pomiar ziemskiego pola magnetycznego i jego fluktuacji ( geomagnetyka ). Jeśli na powierzchni ziemi występują lokalne odchylenia pola magnetycznego, oznacza to, że pod powierzchnią znajdują się materiały ferromagnetyczne . Zakłócenia te można wykorzystać do wykrywania obiektów tak różnych jak z. B. wykorzystywane są złoża rud , łodzie podwodne , miejsca skażone (np. niewypały ) lub obiekty archeologiczne .

Magnetometry są bardzo ważne w podróżach kosmicznych . Służą tam jako czujniki położenia i służą do określania pozycji satelity.

Myśliwiec podwodny P-3 Orion z urządzeniem MAD na rufie
Antonov An-12 Cub z urządzeniem MAD na rufie

Magnetometry stosowane w samolotach znane są również pod skrótem MAD ( magnetyczny detektor anomalii ) , zwłaszcza w sektorze wojskowym . Aby zminimalizować wpływ elementów ferromagnetycznych samolotu, takie magnetometry są albo przeciągane na linie za samolotem, albo np. umieszczane w przedłużeniu tylnej części kadłuba w kształcie kolca.

Magnetometry są używane w smartfonach , urządzeniach nawigacyjnych i zestawach VR do implementacji kompasu magnetycznego lub do odniesienia sygnałów z czujników przyspieszenia w celu określenia pozycji.

Pole magnetyczne Ziemi

W ziemskim polu magnetycznym , które tylko w przybliżeniu pole dipol jest poza około pól elektrycznych w górnych warstwach atmosfery, spowodowane światła polarnych , ale również wpływ może być widoczna z wnętrza ziemi przez korpus z własnym magnetyczne. Na przykład stop zawierający metal przyjmuje orientację ziemskiego pola magnetycznego podczas stygnięcia. Jeśli później zmienią się ich położenie lub bieguny pola magnetycznego, schłodzony metal generuje pole interferencyjne. Można to zrobić na dużą skalę za pomocą rudy, ale także na małą skalę za pomocą gwoździa ukrytego w ścianie.

Pole interferencyjne zmienia jednak ugięcie igły magnetycznej w zbyt małym stopniu, aby można ją było dostrzec gołym okiem. Dlatego w przypadku magnetometrów mechanicznych - oprócz niemal beztarciowo zamontowanej igły magnetycznej - wymagana jest mocna optyka odczytu. Oprócz pomiaru czysto mechanicznego efekt Halla można wykorzystać do pomiaru elektrycznych pól magnetycznych. Bardziej nowoczesną metodą jest pomiar magnetometrem precesji protonów , który opiera się na oddziaływaniach subatomowych.

historia

Carl Friedrich Gauss

Pierwszy magnetometr został opracowany w 1832 roku przez niemieckiego fizyka i matematyka Carla Friedricha Gaussa , który przedstawił opis urządzenia pomiarowego 18 grudnia 1833 roku w wykładzie na temat ziemskiego pola magnetycznego Intensitas vis magneticae terrestris ad mesuram absolutam revocata (Siła magnetyzmu ziemskiego zredukowana do wartości bezwzględnych) Royal Society, która została następnie wydrukowana. W 1837 Gauß opracował swój wynalazek, magnetometr unifilarny (igła magnetyczna zawieszona na nitce skrętnej), za pomocą którego pomiary były czasochłonne, wraz z Wilhelmem Eduardem Weberem, aby stworzyć stabilny temperaturowo i szybko mierzący magnetometr bifilarny (magnetyczny pręt zawieszony na dwóch nitkach).

Przed dwoma opracowaniami Gaussa bezwzględny pomiar natężenia pól magnetycznych nie był możliwy. Alexander von Humboldt zastosował następującą metodę z urządzeniami z francuskiego Gambeya, aby określić siłę: Igła magnetyczna lub pręt magnetyczny jest zawieszony na nitce w taki sposób, że igła lub pręt mogą się swobodnie obracać w poziomie. Igła lub pręt ustawią się zgodnie z lokalnie efektywnym polem geomagnetycznym. Jeśli igła zostanie wytrącona z tej linii przez uderzenie, to odchyla się z powrotem do pozycji wyjściowej zgodnie z siłą przyłożonego pola magnetycznego, ale ze względu na jej moment pędu poza nią, a następnie z powrotem z powrotem pod wpływem siły pola magnetycznego itp. Czas trwania tego ruchu wahadła wokół pierwotnej orientacji, okresu oscylacji, pozwala obliczyć siłę działającej siły, tj. pola magnetycznego, jeśli znany jest moment bezwładności skrętnej . Jednak dokładny pomiar wymaga stałej siły samego magnesu, która może zmieniać się w czasie, a przede wszystkim wraz z temperaturą. Nie było więc możliwości skalibrowania pomiarów. Gauss rozwiązał problem, dodając do tego eksperymentalnego układu drugi magnes, a działanie pierwszego na drugi swobodnie zawieszony magnes konkuruje z ziemskim polem magnetycznym. Ustawiając oba magnesy w różnych pozycjach i mierząc za każdym razem, można obliczyć aktualną siłę magnesów pomiarowych przez porównanie i obiektywnie określić siłę magnetyczną ziemskiego pola magnetycznego. Pozycje korzystne dla porównania są określane jako pozycje Gaussa.

Gauss osiągnął dokładne określenie różnych kątów, dołączając małe lusterko do magnesu. Za pomocą małego teleskopu z celownikiem obserwował lustrzane odbicie w skali oddalonej o ok. 6 m od konstrukcji. Teraz możesz łatwo obliczyć aktualny kąt obrotu lustra, obserwując położenie krzyżyka na skali. Replikę tego eksperymentu wykonanego na zlecenie Wilhelma Webera można znaleźć w pozbawionym żelaza drewnianym domu, który Gauß zbudował dla swoich badań magnetycznych w ogrodzie obserwatorium w Getyndze oraz w historycznych zbiorach Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Getyndze. Getynga.

Zobacz też

literatura

  • Pavel Ripka (red.): Czujniki magnetyczne i magnetometry. Artech House, Boston 2001, ISBN 1-58053-057-5 .

linki internetowe

Commons : Magnetometr  - kolekcja obrazów, filmów i plików audio

Indywidualne dowody

  1. ↑ Phil Schewe, Ben Stein: nowy magnetometr BEC. W: Aktualizacje Fizyki nr. 785 (1). 17 lipca 2006, w archiwum z oryginałem na 10 kwietnia 2013 roku ; Pobrano 17 lipca 2006 (w języku angielskim).
  2. ↑ Ozyrys zawsze tam był , NZZ, 13 stycznia 2017, tytuł wydania drukowanego
  3. ↑ Akcelerometry, magnetometry i żyrometry: jakie czujniki ma do zaoferowania system Windows 8. W: entwickler.de. 15 lutego 2012, udostępniono 23 września 2012 .
  4. ↑ Opis magnetometru bifilarnego