Магнитометры: Магнитометры

МАГНИТОМЕТР • Большая российская энциклопедия

МАГНИТО́МЕТР, при­бор для из­ме­ре­ния ха­рак­те­ри­стик маг­нит­но­го по­ля и маг­нит­ных свойств объ­ек­тов и ма­те­риа­лов. Не­ко­то­рые М. име­ют спец. на­зва­ния в за­ви­си­мо­сти от из­ме­ряе­мой ве­ли­чи­ны: эр­стед­мет­ры из­ме­ря­ют на­пря­жён­ность маг­нит­но­го по­ля, гра­ди­ен­то­мет­ры и ва­рио­мет­ры – из­ме­не­ния на­пря­жён­но­сти в про­стран­ст­ве и вре­ме­ни, инк­ли­на­то­ры и дек­ли­на­то­ры – на­прав­ле­ние век­то­ра на­пря­жён­но­сти, тес­ла­мет­ры – ве­ли­чи­ну маг­нит­ной ин­дук­ции. М. из­ме­ря­ют так­же сле­дую­щие ха­рак­те­ри­сти­ки объ­ек­тов и ма­те­риа­лов: маг­нит­ную про­ни­цае­мость и маг­нит­ную вос­при­им­чи­вость (мю-мет­ры и кап­па-мет­ры), ко­эр­ци­тив­ную си­лу (ко­эр­ци­ти­мет­ры), по­ток маг­нит­ной ин­дук­ции (ве­бер­мет­ры или флюкс­мет­ры), маг­нит­ный мо­мент, кри­вые на­маг­ни­чи­ва­ния, по­те­ри на гис­те­ре­зис и др. Час­то маг­ни­то­мет­рич. дат­чи­ки ис­поль­зу­ют­ся при кос­вен­ных из­ме­ре­ни­ях не­маг­нит­ных ве­ли­чин.

По прин­ци­пу дей­ст­вия М. мож­но раз­де­лить на маг­ни­то­ста­ти­че­ские (ме­ха­ни­чес­кие), ин­дук­ци­он­ные, кван­то­вые и др.

Магнитостатические магнитометры

Прин­цип дей­ст­вия этих М. ос­но­ван на ме­ха­нич. воз­дей­ст­вии маг­нит­но­го по­ля на маг­нит. К та­ким при­бо­рам от­но­сят­ся ком­пас маг­нит­ный и бус­соль, оп­ре­де­ляю­щие на­прав­ле­ние маг­нит­но­го по­ля Зем­ли, квар­це­вые ва­рио­мет­ры, по­зво­ляю­щие ре­ги­ст­ри­ро­вать гео­маг­нит­ные ва­риа­ции с точ­но­стью 10^–3–10^–4 А/м и маг­нит­ные ве­сы, при­ме­няе­мые в ла­бо­ра­тор­ных ус­ло­ви­ях для ис­сле­до­ва­ния маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти об­раз­цов. В маг­нит­ных ве­сах вос­при­им­чи­вость маг­нит­но­го ма­те­риа­ла оп­ре­де­ля­ет­ся по си­ле, с ко­то­рой ис­сле­дуе­мый об­ра­зец, имею­щий фор­му длин­но­го ци­лин­д­ра, втя­ги­ва­ет­ся в по­ле элек­тро­маг­ни­та (ме­тод Гуи), или по си­ле, дей­ст­вую­щей на об­ра­зец ма­ло­го раз­ме­ра, по­ме­щён­ный в не­од­но­род­ное маг­нит­ное по­ле (ме­тод Фа­ра­дея). В ме­то­де Гуи тре­бу­ет­ся бо́льшая мас­са ве­ще­ст­ва (1–10 г), а ме­тод Фа­ра­дея по­зво­ля­ет ра­бо­тать с мил­ли­грам­ма­ми ве­ще­ст­ва и тре­бу­ет бо­лее слож­но­го обо­ру­до­ва­ния.

Индукционные магнитометры

 Ра­бо­та этих М. ос­но­ва­на на яв­ле­нии элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции; они ре­ги­ст­ри­ру­ют из­ме­не­ние по­то­ка маг­нит­ной ин­дук­ции в из­ме­рит. ка­туш­ке, вы­зван­ное разл. при­чи­на­ми. Ин­дук­ци­он­ные М. ус­лов­но де­лят на пас­сив­ные и ак­тив­ные: в пер­вых эдс в ка­туш­ке воз­бу­ж­да­ет­ся из­ме­не­ни­ем во вре­ме­ни внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля, во вто­рых – из­ме­не­ния­ми в са­мом при­бо­ре. Пас­сив­ные М. пред­став­ля­ют со­бой длин­ную ци­лин­д­рич. ка­туш­ку, на­мо­тан­ную на фер­ро­маг­нит­ный сер­деч­ник и фак­ти­че­ски яв­ля­ют­ся ан­тен­на­ми сверх­низ­кой час­то­ты. Та­кие М. ис­поль­зу­ют­ся для де­тек­ти­ро­ва­ния ядер­ных взры­вов, свя­зи с под­вод­ны­ми лод­ка­ми, маг­ни­то­тел­лу­рич. зон­ди­ро­ва­ния зем­ной ко­ры, изу­че­ния взаи­мо­дей­ст­вия сол­неч­но­го вет­ра с маг­ни­то­сфе­рой Зем­ли и вол­но­вых про­цес­сов в кос­мич. плаз­ме.

К ак­тив­ным ин­дук­ци­он­ным М. от­но­сят­ся, напр., рок-ге­не­ра­тор и фер­ро­зон­до­вый М. В рок-ге­не­ра­то­ре ис­сле­дуе­мый об­ра­зец по­ме­ща­ет­ся на спец. пло­щад­ку, вра­щаю­щую­ся в цен­тре из­ме­рит. ка­туш­ки с час­то­той 40 Гц. В ре­зуль­та­те в ка­туш­ке воз­ни­ка­ет эдс, ве­ли­чи­на ко­то­рой про­пор­цио­наль­на ве­ли­чи­не на­маг­ни­чен­но­сти об­раз­ца. Для ис­клю­че­ния влия­ния внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля на ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ний ка­туш­ка (вме­сте с вра­щаю­щей­ся пло­щад­кой и об­раз­цом) за­кры­та мно­го­слой­ным пер­мал­лое­вым эк­ра­ном. Рок-ге­не­ра­тор при­ме­ня­ет­ся при ис­сле­до­ва­ни­ях маг­нит­ных свойств гор­ных по­род, напр. при изу­че­нии па­лео­маг­не­тиз­ма.

Фер­ро­зон­до­вые М. ос­но­ва­ны на пе­рио­дич. из­ме­не­нии маг­нит­ной про­ни­цае­мо­сти фер­ро­маг­не­ти­ков при пе­ре­маг­ни­чи­ва­нии (до на­сы­ще­ния) пе­ре­мен­ным по­лем воз­бу­ж­де­ния. На об­мот­ку воз­буж­де­ния по­да­ёт­ся пе­ре­мен­ный ток; при этом в из­ме­рит. ка­туш­ке на­во­дит­ся пе­ре­мен­ная эдс, чёт­ные гар­мо­ни­ки ко­то­рой про­пор­цио­наль­ны про­доль­ной ком­по­нен­те внеш­не­го по­ля. Про­стей­ший фер­ро­зон­до­вый дат­чик со­сто­ит из стерж­не­во­го фер­ро­маг­нит­но­го сер­деч­ни­ка и на­хо­дя­щих­ся на нём об­мо­ток из­ме­ре­ния и воз­бу­ж­де­ния. В наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ных фер­ро­зон­до­вых М. ис­поль­зу­ет­ся то­рои­даль­ный сер­деч­ник с об­мот­кой воз­бу­ж­де­ния или два стерж­не­вых сер­деч­ни­ка с рас­пре­де­лён­ны­ми по их дли­не об­мот­ка­ми воз­бу­ж­де­ния, вклю­чён­ны­ми по­сле­до­ва­тель­но-встреч­но (т. е. элек­три­че­ски по­сле­до­ва­тель­но, но маг­нит­ные по­ля, соз­да­вае­мые об­мот­ка­ми, име­ют про­ти­во­по­лож­ное на­прав­ле­ние). Из­ме­ре­ния про­из­во­дят­ся ли­бо при по­мо­щи од­ной об­щей сиг­наль­ной об­мот­ки, ли­бо с ис­поль­зо­ва­ни­ем двух об­мо­ток, со­еди­нён­ных так, что не­чёт­ные гар­мо­нич. со­став­ляю­щие маг­нит­но­го поля прак­ти­че­ски ком­пен­си­ру­ют­ся. Ис­поль­зо­ва­ние то­рои­даль­но­го сер­деч­ни­ка по­зво­ля­ет од­но­вре­мен­но из­ме­рять 2–3 вза­им­но ор­то­го­наль­ные ком­по­нен­ты маг­нит­но­го по­ля, что умень­ша­ет ошиб­ки в оп­ре­де­ле­нии на­прав­ле­ния век­то­ра по­ля.

Фер­ро­зон­до­вые М. при­ме­ня­ют для из­ме­ре­ния маг­нит­но­го по­ля Зем­ли и его ва­риа­ций, при аэ­ро­маг­нит­ных съём­ках и раз­вед­ке по­лез­ных ис­ко­пае­мых, в кос­мич. ис­сле­до­ва­ни­ях, хи­рур­гии, в сис­темах кон­тро­ля ка­че­ст­ва про­дук­ции, в элек­трон­ных ком­па­сах. Чув­ст­ви­тель­ность фер­ро­зон­до­во­го М. дос­ти­га­ет 10^–4–10^–5 А/м.

Квантовые магнитометры

В ра­бо­те кван­то­вых магнитометров ис­поль­зу­ют­ся кван­то­вые яв­ле­ния: сво­бод­ная упо­ря­до­чен­ная пре­цес­сия ядер­ных (ядер­ный маг­нит­ный ре­зо­нанс, ЯМР) или элек­трон­ных (элек­трон­ный па­ра­маг­нит­ный ре­зо­нанс, ЭПР) маг­нит­ных мо­мен­тов во внеш­нем маг­нит­ном по­ле, кван­то­вые пе­ре­хо­ды меж­ду маг­нит­ны­ми по­ду­ров­ня­ми ато­мов, а так­же кван­то­ва­ние маг­нит­но­го по­то­ка в сверх­про­во­дя­щем кон­ту­ре. В за­ви­си­мо­сти от спо­со­ба соз­да­ния мак­ро­ско­пич. маг­нит­но­го мо­мен­та и ме­то­да де­тек­ти­ро­ва­ния сиг­на­ла раз­ли­ча­ют: про­тон­ные М. (М. сво­бод­ной пре­цес­сии, с ди­на­ми­чес­кой и син­хрон­ной по­ля­ри­за­ци­ей), М. с оп­тич. на­кач­кой и др.

Дат­чи­ком про­тон­но­го М. слу­жит кон­тей­нер с диа­маг­нит­ной жид­ко­стью, мо­ле­ку­лы ко­то­рой со­дер­жат ато­мы во­до­ро­да. В ка­че­ст­ве та­кой жид­ко­сти мо­гут вы­сту­пать во­да, ке­ро­син, бен­зол, геп­тан и др. Ам­пу­лу с жид­ко­стью по­ме­ща­ют в ка­туш­ку, ли­бо ка­туш­ку по­гру­жа­ют в ём­кость с ра­бо­чей жид­ко­стью. Че­рез ка­туш­ку вна­ча­ле про­пус­ка­ют ток по­ля­ри­за­ции, ко­то­рый соз­да­ёт маг­нит­ное по­ле, ори­ен­ти­рую­щее маг­нит­ные мо­мен­ты про­то­нов и на­маг­ни­чи­ваю­щее жид­кость. По­сле от­клю­че­ния то­ка по­ля­ри­за­ции маг­нит­ные мо­мен­ты про­то­нов на­чи­на­ют пре­цес­си­ро­вать во­круг на­прав­ле­ния из­ме­ряе­мо­го маг­нит­но­го по­ля Н_изм c час­то­той ω = γ_pН_изм, где γ_p – ги­ро­маг­нит­ное от­но­ше­ние для про­то­нов. Т. о., из­ме­ре­ние час­то­ты пре­цес­сии по­зво­ля­ет с вы­со­кой точ­но­стью оп­ре­де­лить ве­ли­чи­ну на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля.

В ра­бо­те кван­то­во­го М. мо­жет быть ис­поль­зо­ва­на так­же пре­цес­сия в маг­нит­ном по­ле маг­нит­ных мо­мен­тов не­спа­рен­ных элек­тро­нов па­ра­маг­нит­ных ато­мов. Час­то­та пре­цес­сии элек­тро­нов в сот­ни раз боль­ше час­то­ты пре­цес­сии про­то­нов. Соз­да­ны про­тон­ные М., в ко­то­рых ЭПР уве­ли­чи­ва­ет ин­тен­сив­ность ЯМР (эф­фект Овер­хау­зе­ра).

Кван­то­вый оп­тич. М. (М. с оп­тич. на­кач­кой) час­то на­зы­ва­ют про­сто кван­то­вым М. Дат­чи­ком при­бо­ра яв­ля­ет­ся стек­лян­ная кол­ба, на­пол­нен­ная парáми ще­лоч­но­го ме­тал­ла (напр., Rb, Cs, K), ато­мы ко­то­ро­го па­ра­маг­нит­ны. При про­пус­ка­нии че­рез кол­бу све­та с кру­го­вой по­ля­ри­за­ци­ей и дли­ной вол­ны, со­от­вет­ст­вую­щей пе­ре­хо­ду ато­мов ме­тал­ла на один из воз­бу­ж­дён­ных уров­ней, ато­мы за­пол­ня­ют один из маг­нит­ных по­ду­ров­ней это­го уров­ня, что при­во­дит к умень­ше­нию ре­зо­нанс­но­го по­гло­ще­ния и рас­сея­ния све­та. При по­ме­ще­нии кол­бы в пе­ре­мен­ное маг­нит­ное по­ле с час­то­той ω = γ_eН_изм (γ_e – ги­ро­маг­нит­ное от­но­ше­ние для элек­тро­нов) на­се­лён­ность маг­нит­ных по­ду­ров­ней вы­рав­ни­ва­ет­ся, а по­гло­ще­ние и рас­сея­ние све­та рез­ко воз­рас­та­ют. Чув­ст­ви­тель­ность про­тон­но­го и оп­ти­че­ско­го М. со­став­ля­ет 10^–4–10^–5 А/м.

Все опи­сан­ные кван­то­вые М. при­ме­ня­ют­ся для из­ме­ре­ния на­пря­жён­но­сти сла­бых маг­нит­ных по­лей, в т. ч. гео­маг­нит­но­го по­ля в кос­мич. про­стран­ст­ве, а так­же в гео­ло­го­раз­вед­ке.

Прин­цип дей­ст­вия сверх­про­во­дя­щих кван­то­вых М. (СКВИД-маг­ни­то­мет­ров) ос­но­ван на кван­то­вых эф­фек­тах в сверх­про­вод­ни­ках: кван­то­ва­нии маг­нит­но­го по­то­ка в сверх­про­вод­ни­ке и за­ви­си­мо­сти кри­тич. то­ка кон­так­та двух сверх­про­вод­ни­ков от Н_изм (см. Джо­зеф­со­на эф­фект). Сверх­про­во­дя­щие М. из­ме­ря­ют сверх­сла­бые маг­нит­ные по­ля и при­ме­ня­ют­ся в био­фи­зи­ке, фи­зи­ке твёр­до­го те­ла, маг­не­то­хи­мии и др., а так­же для из­ме­ре­ний ком­по­нент гео­маг­нит­но­го по­ля. Чув­ст­ви­тель­ность СКВИД-маг­ни­то­мет­ров дос­ти­га­ет 10^–10 A/м.

Другие типы магнитометров

 Прин­цип дей­ст­вия галь­ва­но­маг­нит­ных М. ос­но­ван на ис­крив­ле­нии тра­ек­то­рий за­ря­жен­ных час­тиц в маг­нит­ном по­ле. К этой груп­пе М. от­но­сят­ся М., ис­поль­зую­щие Хол­ла эф­фект и эф­фект Га­ус­са (из­ме­не­ние со­про­тив­ле­ния про­вод­ни­ка в по­пе­реч­ном маг­нит­ном по­ле). На эф­фек­те Хол­ла ос­но­ва­ны так­же: тес­ла­мет­ры, при­ме­няе­мые для из­ме­ре­ния по­сто­ян­ных, пе­ре­мен­ных и им­пульс­ных маг­нит­ных по­лей; флюкс­мет­ры, ис­поль­зуе­мые для от­бра­ков­ки по­сто­ян­ных маг­ни­тов; ко­эр­ци­ти­мет­ры, при­ме­няе­мые при не­раз­ру­шаю­щем кон­тро­ле ка­че­ст­ва. На ос­но­ве дат­чи­ков Хол­ла соз­да­ют­ся гра­ди­ен­то­мет­ры для ис­сле­до­ва­ния маг­нит­ных свойств ма­те­риа­лов. Чув­ст­ви­тель­ность М. на эф­фек­те Хол­ла обыч­но на­хо­дит­ся в диа­па­зо­не 10–100 А/м. Эф­фект Га­ус­са при­ме­ня­ет­ся в маг­ни­то­ре­зи­стив­ных дат­чи­ках, ис­поль­зуе­мых в элек­трон­ных ком­па­сах и др. Чув­ст­ви­тель­ность та­ких тес­ла­мет­ров со­став­ля­ет 0,5–10 А/м.

Су­ще­ст­ву­ют так­же М., прин­цип дей­ст­вия ко­то­рых ос­но­ван на вра­ще­нии плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции све­та в маг­нит­ном по­ле или по­ле на­маг­ни­чен­но­го об­раз­ца, из­ме­не­нии дли­ны на­маг­ни­чен­но­го стерж­ня под дей­ст­ви­ем при­ло­жен­но­го по­ля (маг­ни­то­ст­рик­ции) и др. Та­кие М. при­ме­ня­ют­ся в разл. об­лас­тях тех­ни­ки.

Магнитометр. Виды и работа. Применение и особенности

Магнитометр – это прибор, который применяется для разведки магнитного поля Земли или поиска скрытых предметов. По принципу действия прибор немного напоминает металлоискатель, который реагирует на металлические поверхности, за тем исключением, что он чувствителен к естественному магнитному полю Земли, а также крупным неметаллическим предметам, имеющим собственное остаточное поле. Устройство нашло свое применение в различных отраслях промышленности и науки, поскольку позволяет фиксировать природные аномалии, а также ускоряет поиски объектов.

Магнитометры реагируют на магнитное поле и выражают показатели его силы в различных физических единицах измерения. В связи с этим существует много типов данных приборов, каждый из которых адаптирован под определенную поисковую цель.

Модификации этих устройств применяются в десятках отраслях науки и промышленности:

• Геология.
• Археология.
• Навигация.
• Сейсмология.
• Военная разведка.
• Геохронология.

В геологии с помощью магнитометра осуществляется поиск полезных ископаемых без необходимости проводить пробное бурение для взятия образцов. Прибор позволяет зафиксировать богатую ископаемыми жилу и принять решение о целесообразности начала добычи в данном районе. Также с помощью данного оборудования можно определить, где находятся подземные источники питьевой воды, как они располагаются и их объем. Благодаря этому можно заблаговременно решить, где осуществить строительство колодца или скважины, чтобы добраться к воде без необходимости максимального углубления.

Магнитометры используются в археологии при раскопках. Они позволяют реагировать на скрытые глубоко под землей фундаменты зданий, статуи и прочие объекты, которые имеют остаточную намагниченность. В первую очередь это обожженный кирпич или камень. Устройство реагирует на скрытые глубоко под землей старинные очаги и печи. С его помощью можно искать объекты во льду или снегу.

Магнитометр также используется в навигации. С его помощью осуществляется определение магнитного поля Земли, в результате чего можно получить данные о направлении движения в случае дезориентации. Такие приборы используют в авиации и морском транспорте. Магнитометры являются обязательным оборудованием на космических станциях и шаттлах.

В сейсмологии магнитометры, которые реагируют на магнитное поле Земли, позволяют предсказывать землетрясение, поскольку при изменении характеристик тектонических плит происходит нарушение привычных показателей поля. Таким способом можно определить свежие подземные трещины, сквозь которые может начаться извержение.

В военной разведке данное оборудование позволяет искать военные объекты, скрытые от обычных радаров. С помощью магнитометра можно выявить лежащую на морском или океанском дне подводную лодку.

В геохронологии по силе остаточной намагниченности можно определить возраст горных пород. Существуют и более точные методы, но с помощью магнитометра это можно сделать за считанные секунды, без необходимости осуществления дорогостоящего анализа.

Разновидности магнитометров по принципу действия

По принципу действия магнитометры разделяют на 3 вида:

1. Магнитостатические.
2. Индукционные.
3. Квантовые.

Каждая разновидность реагирует на стороннее магнитное поле, используя определенный физический принцип. На базе этих трех разновидностей созданы различные узкоспециализированные виды магнитометров, которые являются более точными для измерений в определенных условиях.

Магнитостатические

Несмотря на внешнюю сложность данного прибора, он работает по вполне понятному физическому принципу. Внутри магнитометра находится небольшой постоянный магнит, реагирующий на магнитное поле, с которым контактирует. Магнит находится в подвешенном состоянии на упругой подвеске, позволяющей ему прокручиваться. Она практически не обладает своей жесткостью, поэтому не удерживает его и позволяет прокручиваться без сопротивления. Когда постоянный магнит реагирует с чужеродным полем направление которого или сила не совпадают с его собственным, происходит реакция притяжение или отторжения. В результате подвешенный постоянный магнит начинает проворачиваться, что фиксирует чувствительный датчик. Таким образом осуществляется измерение силы и направления стороннего магнитного поля.

Чувствительность магнитостатического прибора зависит от эталонного магнита, который в него установлен. Также на точность измерения влияет упругость подвески.

Индукционные

Индукционные магнитометры имеют внутри катушку с проволочной обмоткой из токопроводящего материала. Она находится под напряжением от аккумуляторного источника питания. Катушка создает собственное магнитное поле, которое начинает контактировать со сторонними полями, проходящими через ее контур. Чувствительные датчики реагируют на изменения, которые отображаются на катушке в результате такого взаимодействия. Они могут реагировать на вращение или колебания. У более сложных устройств датчики реагируют на изменение магнитной проницаемости сердечника катушки. Независимо от того каким образом фиксируется изменение, прибор отображает показатели внешних магнитных полей и позволяет определять местонахождение объектов, их размер и отдаленность.

Квантовые

Квантовый магнитометр реагирует на магнитный момент электронов, которые двигаются под действием внешних магнитных полей. Это дорогостоящее оборудование, которое применяется для лабораторных исследований, а также сложных поисков. Устройство фиксирует магнитный момент микрочастиц и напряженность измеряемого поля. Данное оборудование позволяет измерить напряженность слабых полей, в том числе тех которые находятся в космическом пространстве. Именно это оборудование применяется в георазведке для поиска глубоких залежей полезных ископаемых.

Отличие между приборами

Магнитометр представляет собой высокотехническое оборудование, которое может отличаться от других подобных приборов не только по физическому принципу реакции на изменение магнитного поля или чувствительности, но и по прочим характеристикам.

Устройства могут отличаться друг от друга по следующим критериям:

• Наличию дисплея.
• Количеству датчиков.
• Наличию звукового индикатора.
• Погрешности измерения.
• Способу индикации.
• Продолжительности непрерывной работы.
• Габаритам и весу.

Что касается количества чувствительных датчиков, то чем их больше, тем более точным будет оборудование. Магнитометр может отображать свои измерения в числовом или графическом выражении. Сказать что лучше сложно, поскольку все зависит от особенностей условий, в которых проводится измерение. В определенных случаях нужно просто получить отображение показателей магнитного поля в цифрах, в то время как иногда больше нужно визуальное определение вектора его завихрений. Оптимальным вариантом являются комбинированные устройства, которые позволяют визуализировать показатели в цифровом и графическом отображении.

Похожие темы:

• Детектор скрытой проводки. Типы и устройство. Работа. Как выбрать
• Трассоискатель. Виды и работа. Применение и особенности
• Металлоискатель. Виды. Работа. Применение. Особенности

NOAA Office of Ocean Exploration and Research

Магнитометр — это пассивный прибор, измеряющий изменения магнитного поля Земли. При исследовании океана его можно использовать для обследования объектов культурного наследия, таких как обломки кораблей и самолетов, а также для описания геологических особенностей морского дна.

Магнитометр буксируется сквозь толщу воды. Изображение предоставлено Бреттом Сеймуром, Центр подводных ресурсов Службы национальных парков. Скачать увеличенную версию (jpg, 760 КБ).

Как это работает?

Ядро Земли содержит внешний жидкий слой магнитного железа и никеля. Эти два элемента являются магнитными, потому что их атомы содержат неспаренные электроны, которые создают полюс, притягивающий другие магнитные объекты. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, электрические токи этих металлов создают поле магнетизма. Сила этого поля варьируется в зависимости от поверхности Земли и может быть измерена с помощью магнитометра.

Во время экспедиции по исследованию океана магнитометр часто тянут за исследовательским судном с помощью буксирного троса, хотя его также можно установить на автономном подводном аппарате (AUV) или воздушном дроне. Магнитометр измеряет фоновый магнетизм со скоростью примерно одно показание в секунду или один герц (Гц), хотя частоту выборки можно изменить. Это число обычно соответствует, если только магнитометр не обнаружит что-то железосодержащее (содержащее железо), например фрагмент корпуса корабля, якорь или геологическое образование базальта. Это регистрируется как неожиданное изменение магнетизма или аномалия на дисплее магнитометра. Этот инструмент может обнаруживать артефакты и даже обломки кораблей, независимо от того, находятся ли они над морским дном или полностью скрыты под землей.

Что будет дальше?

Данные магнитометра собираются вместе с соответствующими данными широты/долготы от GPS и обрабатываются для создания карты. Полученная контурная карта отображает магнетизм области съемки, а потенциальные цели видны как крутые градиенты или быстрые изменения магнетизма. Следующим этапом археологического процесса является отправка водолазов или дистанционно управляемого аппарата (ROV) вниз, чтобы подтвердить наличие артефактов и сделать фотографии. Если что-то будет найдено, изображения можно сшить вместе, чтобы создать фотомозаику или трехмерную модель с помощью программного обеспечения для фотограмметрии.

Показание магнитометра одиночного диполя, вероятно, небольшого изолированного объекта. Изображение предоставлено NOAA/ONMS/Мэттью Лоуренсом. Скачать увеличенную версию (jpg, 166 КБ).

Изображение с показаний магнитометра нескольких сгруппированных вместе аномалий, которые, вероятно, представляют собой массу материала. Изображение предоставлено NOAA/ONMS/Мэттью Лоуренсом. Скачать увеличенную версию (jpg, 190 КБ).

Почему это важно?

Магнитометр — один из многих инструментов, необходимых для поиска объектов культурного наследия. Он часто используется в тандеме с гидролокатором бокового обзора, который создает карту, отражая звуковые волны от особенностей морского дна. Однако, в отличие от магнитометра, гидролокатор не может обнаруживать артефакты, зарытые под морским дном.

Карты, созданные с помощью магнитометра и гидролокатора, помогают определить пространственное положение обломков корабля. Иногда археологи имеют ограниченную справочную информацию об изучаемом ими месте; изучение схемы затонувшего корабля может заполнить пробелы в знаниях. Магнитометр помогает раскрыть полную историю объектов культурного наследия, которые в противном случае остались бы невыразимыми.

Магнитометры

: подробное руководство | GMW Associates

Магнитометры являются полезными инструментами на Земле, поскольку Земля по сути является гигантским магнитом. Магнитометры позволяют измерять силу и, в зависимости от прибора, направление магнитного поля в точке пространства.

Магнитометры прошли долгий путь с момента появления первого магнитометра в 1833 году. Сегодня магнитометры широко используются в различных областях. Они используются для измерения магнитного поля Земли, в географических исследованиях, используются военными для обнаружения подводных лодок и даже используются в металлоискателях/детекторах оружия. В последние годы магнитометры были миниатюризированы и включены в интегральные схемы по очень низкой цене.

В этой статье мы рассмотрим общую картину и некоторые подробности о магнитометрах. Вы узнаете, что они из себя представляют, как они развивались, какую полезность они обеспечивают и какое влияние они оказывают на отрасли, которые сегодня на них полагаются.

Содержание

• В чем разница между магнитометром, гауссметром и тесламетром?
• Когда был изобретен магнитометр?
• Для чего используются магнитометры?
• Насколько точны магнитометры/гауссметры?
• Что такое гауссметр?
• Типы магнитометров/гауссметров
• Как магнитометры влияют на повседневную жизнь?

В чем разница между магнитометром, гауссметром и тесламетром?

В абсолютном выражении между ними нет никакой разницы. Все они делают одно и то же — измеряют поле В — плотность магнитного поля. Однако полезно понимать, как и почему разные термины используются в разных контекстах.

Магнитометр — более общее название. Гауссметр относится к единице СГС для плотности магнитного поля, которая равна Гауссу. Тесламетр относится к единице СИ для той же величины. Соотношение следующее: 1 Гаусс = 100 микроТесла. Современные инструменты, содержащие магнитометры, дают вам возможность переключиться с Гаусса на Тесла.

Несмотря на то, что все они измеряют одну и ту же физическую величину, между гауссметром/тесламетром и магнитометром существует общепринятая разница. Как правило, гауссметр/тесламетр относится к приборам, используемым для измерения сильных магнитных полей, в то время как магнитометр, как правило, относится к магнитным полям низкой интенсивности (Когда был изобретен магнитометр?

Магнитометры существуют уже очень давно. Компас считается очень простым магнитометром, но самые ранние датчики, способные точно измерять амплитуду поля, относятся к началу 19 века. век.

В 1833 году Карл Фридрих Гаусс, глава Геомагнитной обсерватории в Геттингене, опубликовал статью об измерении магнитного поля Земли. В документе описывался новый прибор, состоящий из постоянного стержневого магнита, подвешенного горизонтально к золотому волокну. Измерение разницы в колебаниях при намагничивании и размагничивании стержня позволило Гауссу рассчитать абсолютное значение силы магнитного поля Земли. Гаусс, единица СГС плотности магнитного потока, был назван в его честь.

Позже, в 1846 году, Фрэнсис Рональдс и Чарльз Брук независимо друг от друга изобрели магнитографы, которые непрерывно регистрировали движения магнита с помощью фотографии, избавляя от бремени наблюдателей. Эти магнитометры были быстро использованы Эдвардом Сабином и другими в глобальной магнитной съемке.

С тех пор появились различные технологии (как для магнитометров, так и для гауссметров/тесламетров), которые развивались с конца 19 века до наших дней.
В то время как первый магнитометр измерял амплитуду поля, с тех пор появилась технология, которая измеряет поле в одном конкретном направлении, проложив путь векторным магнитометрам.

Технологии флюсовых затворов, восходящие к 1930s используются для измерения магнитных полей примерно до одного мТл в одном конкретном направлении, в то время как эффект Холла, используемый для измерения более сильных магнитных полей, восходит к 1879 году.

USB ЦИФРОВЫЕ Тесламетры Переменный ток (до 1 кГц) Измерение магнитного поля в диапазоне от 100 мкТл до >14 Тл

Узнать больше

Для чего используются магнитометры?

​​​​​​Мы знаем, что магнитометры используются для измерения магнитного поля, но количество приложений для такого использования может удивить тех, кто не знаком с универсальностью магнитометров. Из-за малой амплитуды измеряемого магнитного поля большинство применений магнитометров связано с измерением естественного поля или искажением магнитного поля Земли ферромагнитными объектами. Ферромагнитные материалы обычно содержат железо, никель или кобальт. Наличие этих материалов в ряде объектов (автомобили, электронные устройства, оружие и т. д.) позволяет использовать магнитометры для обнаружения человека, несущего оружие, или человека, несущего ферромагнитный предмет, входящего в комнату МРТ.

Начиная с самого низкого поля, магнитометры используются для измерения биологических полей, т.е. мозга, сердца или мышц. Вы также можете использовать магнитометры для измерения поля Земли, будь то для целей разведки полезных ископаемых/нефти, исследований, чтобы понять механизмы, лежащие в основе магнитного поля Земли, или компаса. Вы можете дополнительно обнаруживать объекты, глядя на то, как поле вокруг объектов искажается. Это полезно в обороне, безопасности, мониторинге трафика и ряде других отраслей.

Применение магнитометров

Компасы

Современные магнитометры миниатюризированы до такой степени, что их можно легко встраивать в интегральные схемы по очень низкой цене. В результате их все чаще используют в качестве миниатюрных компасов (датчиков магнитного поля MEMS). Это тип магнитометра, который вы можете найти в своем смартфоне.

Мониторинг в здравоохранении

Магнитометры имеют ряд полезных применений в здравоохранении. Они чрезвычайно полезны при выполнении кардиологических приложений в диагностических системах, которые измеряют работу сердца.

Географические исследования

Одним из наиболее распространенных применений является измерение магнитного поля Земли в географических исследованиях. Магнитометры находят и идентифицируют магнитные аномалии, которые обычно указывают на присутствие минеральной руды или породы, содержащей ценный минерал.

Аэромагнитная съемка. Предоставлено NRG ZA

Самолеты

Магнитометры есть почти на каждом современном самолете. Обычно они используются в качестве опорного курса в системе отсчета высоты и курса самолета.

Военный​​​​​​

Военно-морской флот использует магнитометры для обнаружения подводных лодок, а также для измерения магнитной сигнатуры собственных судов. Магнитометры также используются на суше, в воздухе, под водой и в космосе.

Нефть и газ

Буровая промышленность полагается на магнитометры для определения направления буровых инструментов, обычно используемых в настоящее время в большинстве операций бурения. Они также используются для определения расстояния до существующей скважины при сложных работах по бурению скважин. Магнитометры также используются для осмотра трубопроводов (в том числе коррозии).

Обнаружение металлов

​​​​​​Благодаря способности обнаруживать ферромагнитные металлы, магнитометры чрезвычайно полезны для обнаружения транспортных средств (мониторинг дорожного движения) или в приложениях безопасности для обнаружения оружия.

Археология

Археологи используют магнитометры для изучения археологических раскопок с целью обнаружения захороненных предметов.

Насколько точны магнитометры/гауссметры?

Чтобы ответить на этот вопрос, полезно сначала определить точность и шум. Шум — это собственные фоновые колебания выходного сигнала датчика в среде без магнитного поля. Каждая сенсорная технология имеет свой собственный шум, который варьируется от нескольких фемтотесла (10⁻¹⁵) до уровня нТл (10⁻⁹) или даже микротесла (мТл). Феррозондовые датчики находятся посередине с шумом на уровне pT (10⁻¹²). Это определяет наименьшее магнитное поле, которое можно измерить.

Точность показывает, насколько далеко от истинного магнитного поля находится измерение. Например, если магнитометр показывает 101 мкТл в реальном поле 100 мкТл, то точность составляет 1%. Тот же магнитометр может иметь шум 1 пТл и, таким образом, может измерять 101,000001 мкТл, остается ошибка в 1% от истинного показания. Некоторые магнитометры достигают точности на уровне долей процента, а некоторые могут достигать уровня точности ppm, короче говоря, магнитометры могут быть чрезвычайно точными.

Высокоточные феррозондовые датчики

Узнать больше

Что такое гауссметр?

Как уже отмечалось, термины «магнитометр», «гауссметр» и «тесламетр» относятся к прибору, измеряющему магнитное поле. Однако в целом гауссметры и тесламетры, как правило, относятся к единицам измерения очень сильных полей (от нескольких мТл до десятков Тл). Поэтому гауссметры и тесламетры, как правило, относятся к приборам, способным измерять очень сильные поля, а именно к датчикам на эффекте Холла и датчикам ЯМР. Гауссметры на эффекте Холла будут измерять поле либо в одном, либо в нескольких (до 3) направлениях поля Земли, в то время как ЯМР измеряет только амплитуду поля независимо от его ориентации.

Как гауссметр измеряет магнитное поле?

Хотя не существует однозначного значения поля, которое считается опасным, существуют некоторые значения, описывающие область, выше которой магнитное поле может оказать вредное воздействие. «Опасность» связана как с амплитудой поля, так и с его частотой. Как правило, постоянные и низкочастотные поля представляют меньшую проблему, чем высокочастотные поля. Таким образом, вы имеете более высокие значения низкой частоты, и амплитуда уменьшается по мере увеличения частоты.

Существуют некоторые рекомендации как для профессионального облучения, так и для населения в полях. Для постоянного тока существует ограничение в 200 мТл для постоянного облучения (с более высокими пределами для временного облучения или облучения конечностей). Однако для всех, у кого есть имплантированное медицинское устройство, такое как кардиостимулятор, предел намного ниже и установлен на уровне 0,5 мТл (5 Гаусс).

Для справки: поле Земли составляет 0,05 мТл (0,5 Гаусса). Это одна из причин, по которой в машинах МРТ будет нанесена линия 5 Гаусс, чтобы гарантировать, что широкая публика не будет подвергаться воздействию магнитных полей, которые могут мешать имплантированные медицинские устройства.
В целях безопасности датчики на эффекте Холла или феррозонды обычно используются для картирования 5 линий Гаусса или измерения окружающих полей в промышленных зонах, чтобы обеспечить соответствие полевым выбросам как для населения, так и для рабочих.

Кто использует гауссметры?

Магнит для МРТ в сборе. Предоставлено: GE

Из-за более высокой амплитуды магнитных полей, измеряемых гауссметрами/тесламетрами, пользователями являются полевые инженеры, выполняющие установки МРТ, инженеры-технологи при выполнении контрольных измерений при производстве магнитов МРТ или других электромагнитов, инженеры по контролю качества на заводах. где используются магниты и электромагниты, или физики и биологи для целей своих исследований. Из-за характера пользователей инструменты должны быть простыми в использовании, поскольку не все пользователи являются физиками, специализирующимися в области магнетизма.

Сколько стоит гауссметр?

Диапазон стоимости зависит от используемой технологии, точности датчика и среды, для которой он предназначен. Как правило, вы можете найти самый дешевый магнитометр за несколько сотен долларов, и он будет стоить до нескольких десятков тысяч долларов. Однако стоимость большинства высокоточных магнитометров/гауссметров обычно не превышает 10 тысяч долларов.

Типы магнитометров/гауссметров

Магнитометры подразделяются на две категории: скалярные и векторные. Скаляр используется для измерения значения напряженности магнитного потока. Векторный магнитометр используется для измерения величины и направления магнитного поля. Их можно разделить на различные типы, такие как эффект Холла, магниторезистивные, феррозондовые, поисковая катушка или СКВИД 9. 0003

Векторные магнитометры

Феррозондовые магнитометры

Этот магнитометр используется для приложений с высокой чувствительностью. Феррозондовый датчик состоит из магниточувствительных (с высокой магнитной проницаемостью) сердечников, намотанных двумя катушками провода – первичной обмоткой возбуждения, через которую протекает переменный ток возбуждения, и приемной катушкой. При работе в магнитном поле сердечники насыщаются в разное время, что индуцирует сигнал в приемной катушке. Этот сигнал пропорционален полю, воспринимаемому датчиком.

Магниторезистивные магнитометры

Это полупроводниковые устройства, электрическое сопротивление которых изменяется в зависимости от приложенного или окружающего магнитного поля.

СКВИД-магнитометры

Этот магнитометр состоит из двух сверхпроводников, разделенных тонкими изолирующими слоями, которые образуют два параллельных соединения. Учитывая, насколько они чувствительны к полям низкой интенсивности, их чаще всего используют для измерения магнитных полей, создаваемых мозгом или сердцем, в медицинских целях.

Магнитометры с поисковой катушкой

Этот магнитометр состоит из медных катушек, в которых в некоторых случаях может использоваться магнитный сердечник. Переменное магнитное поле индуцирует в катушках напряжение, пропорциональное измеряемой напряженности поля. Эти датчики могут измерять только магнитные поля переменного тока.

Гауссметры/тесламетры на эффекте Холла

Эффект Холла – это создание разности потенциалов (напряжение Холла) на электрическом проводнике, поперечном электрическому току в проводнике и приложенному магнитному полю. поле перпендикулярно току. Создаваемое напряжение прямо пропорционально амплитуде магнитного поля, приложенного ортогонально к пути тока.

Запрос помощи/информации

Если вам нужно связаться с кем-то конкретным, посетите нашу страницу с контактной информацией. Спасибо!
Форма запроса

Скалярные магнитометры

Магнитометры протонной прецессии

Когда поляризующий постоянный ток проходит через соленоид, он создает сильный магнитный поток вокруг богатого водородом топлива, такого как керосин. Некоторые из протонов выравниваются с потоком. После высвобождения поляризующего поля протон перестраивается на окружающее поле и прецессирует с частотой, которая связана с амплитудой окружающего поля.

ЯМР-тесламетр

ЯМР-магнитометры используют переменное поле, прикладываемое к образцу. В отсутствие возбуждающего переменного поля ядро ​​прецессирует вокруг B0. При применении правильной частоты ядро ​​можно переключить на прецессию вокруг поля переменного тока B1. Применяемая частота (частота Лармора) является функцией направления используемого ядра (известного объекта) и внешнего поля B0 (подлежит измерению).

Как магнитометры влияют на повседневную жизнь?

Магнитометры прячутся вокруг нас. Например, в вашем телефоне есть магнитометр. Вы можете спросить: «Почему в моем телефоне есть магнитометр?» Как отмечается в приложениях, магнитометры широко используются для компаса и, таким образом, используются в вашем телефоне, так как позволяют определять ориентацию телефона по отношению к локальному магнитному полю. Это очень удобно для целей навигации.

Что делает магнитометр в самолете?

По той же причине, по которой у вас есть магнитометр в телефоне для компаса, магнитометры на самолетах используются в качестве датчика курса. Хотя в целом магнитометры на самолетах используются в качестве резерва альтернативных датчиков курса.

Работают ли магнитометры под водой?

Да, магнитометры в соответствующей упаковке можно использовать под водой. Сюда входят как магнитометры полного поля, так и векторные магнитометры и, в частности, феррозондовые датчики. Векторные магнитометры под водой используются для оборонных целей (сигнатура кораблей ВМФ), обнаружения ферромагнитных масс и геофизических исследований. В то время как некоторые из этих приложений требуют погружения только на несколько десятков метров, в других случаях датчики развертываются на глубине более 6000 м.

Феррозонды доступны в различных упаковках для достижения различной глубины погружения.

В какой другой среде можно использовать магнитометры?

В дополнение к наземным и водным средам, магнитометры могут использоваться в космосе (в основном, векторные магнитометры и особенно феррозондовые датчики), в низкотемпературных средах (обычно для физических экспериментов и применений ускорителей частиц, снова феррозондовые датчики являются основным типом феррозондовых датчиков).