Магнетометр

Магнитометр в использовании

Магнитометр — прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ (магнитных материалов). В зависимости от определяемой величины различают приборы для измерения: напряжённости поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента. В более узком смысле Магнитометр — приборы для измерения напряжённости, направления и градиента магнитного поля. Различают Магнитометр для измерений абсолютных значений характеристик поля и относительных изменений поля в пространстве или во времени. Последние называются вариометрами магнитными. Магнитометр классифицируют также по условиям эксплуатации (стационарные, на подвижных платформах и т.д.), и, наконец, в соответствии с физическими явлениями, положенными в основу их действия.

Разновидности магнитометров

• Магнитостатические магнитометры — основаны на измерении механического момента J, действующего на индикаторный магнит прибора в измеряемом поле Низм; J = [М, Низм], где М — магнитный момент индикаторного магнита. Момент J в Магнитометр различной конструкции сравнивается: а) с моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые магнитометры и универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью G ~ 1 нтл); б) с моментом силы тяжести (магнитные весы с G ~ 10—15 нтл); в) с моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определённом положении (оси индикаторного и вспомогательного магнитов в положении равновесия перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогательного магнита в поле Низм, можно измерить абсолютную величину Низм (абсолютный метод Гаусса). Основное назначение магнитостатических Магнитометров — измерение компонент и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля (рис. 1), градиента поля, а также магнитных свойств веществ.

• Электрические магнитометры — основаны на сравнении Низм с полем эталонного соленоида Н = kl, где k — постоянная соленоида, определяемая из геометрических и конструктивных его параметров, I — измеряемый ток. Электромагнитные Магнитометр состоят из компаратора для измерения размеров соленоида и обмотки, теодолита для точной ориентации оси соленоида по направлению измеряемой компоненты поля, потенциометрической системы для измерения тока I и чувствительного датчика — индикатора равенства полей. Чувствительность Магнитометра этого типа ~ 1 мкэ, основная область применения — измерение горизонтальной и вертикальной составляющих геомагнитного поля.

• Индукционные магнитометры — основаны на явлении электромагнитной индукции — возникновении эдс в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь её контур магнитного потока Изменение потока dФ в катушке может быть связано: а) с изменением величины или направления измеряемого поля во времени (примеры — индукционные вариометры, флюксметры). Простейший флюксметр (веберметр) представляет собой баллистический гальванометр, действующий в сильно переуспокоенном режиме (G ~ 10 ⁻ 4 вб/деление); широко применяются магнитоэлектрические веберметры с G ~ 10 ⁻ 6 вб/деление, фотоэлектрические веберметры с G ~ 10 ⁻ 8 вб/деление и другие; б) с периодическим изменением положения (вращением, колебанием) измерительной катушки в измеряемом поле; простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G ~ 10 ⁻ 4 тл. У наиболее чувствительных вибрационных Магнитометр G ~ 0.1 ⁻ 1 нтл(нано Тесла); в) с изменением магнитного сопротивления измерительной катушки, что достигается периодическим изменением магнитной проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается до насыщения вспомогательным переменным полем возбуждения); действующие по этому принципу феррозондовые Магнитометры имеют G ~ 0.2 ⁻ 1 нтл. Применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т. д. Квантовые Магнитометры — приборы, основанные на ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе, свободной прецессии магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах. Для наблюдения зависимости частоты w прецессии магнитных моментов микрочастиц от напряжённости Низм измеряемого поля (w = g Низм, где g — магнитомеханическое отношение) необходимо создать макроскопический магнитный момент ансамбля микрочастиц (ядер или электронов). В зависимости от способа создания макроскопического магнитного момента и метода детектирования сигнала различают: протонные Магнитометры (свободной прецессии, с динамической поляризацией и с синхронной поляризацией), резонансные Магнитометры (электронные и ядерные), Магнитометры с оптической накачкой и другие (подробнее см. в ст. Квантовый магнитометр). Квантовые Магнитометры применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей (в том числе геомагнитного и магнитного поля в космическом пространстве), в геологоразведке, в магнетохимии (G до 10 ^- 5—10 ⁻ 7 нтл). Значительно меньшую чувствительность (G ~ 10 ^- 5 тл) имеют квантовые Магнитометры для измерения сильных магнитных полей. Сверхпроводящие квантовые Магнитометры основаны на квантовых эффектах в сверхпроводниках: выталкивании магнитного поля из сверхпроводника (см. Мейснера эффект), квантовании магнитного потока в сверхпроводнике, на зависимости от Низм критического тока контакта двух сверхпроводников. Сверхпроводящими Магнитометрами измеряют компоненты геомагнитного поля, они нашли применение в биофизике, магнетохимии и т. д. Чувствительность сверхпроводящих Магнитометров достигает ~ 10 ^- 5 нтл.

• Гальваномагнитные магнитометры — основаны на явлении искривления траектории электрических зарядов, движущихся в магнитном поле Низм, под действием силы Лоренца. К этой группе Магнитометров относятся: Магнитометр на эффекте Холла (возникновении между гранями проводящей пластинки разности потенциалов, пропорциональной протекающему току и Низм); Магнитометр на эффекте Гаусса (изменении сопротивления проводника в поперечном магнитном поле Низм); на явлении падения анодного тока в вакуумных магнетронах и электроннолучевых трубках (вызванного отклонением электронов в магнитном поле) и другие. На эффекте Холла основано действие различного рода тесламетров для измерения постоянных, переменных и импульсных магнитных полей (чувствительностью 10 ⁻ 4—10 ^- 5 тл; градиентометров и приборов для исследования магнитных свойств материалов. Чувствительность тесламетров, работающих на основе эффекта Гаусса, достигает 10 мкв/тл; чувствительность электронно-вакуумных Магнитометр ~ 30 нтл.

Использование

Широко применяется:

• при поиске полезных ископаемых,
• при археологических раскопках,
• при поиске утонувших судов,
• при исследовании планет с орбиты.

См. также

• Магнит
• Постоянный магнит
• Электромагнит
• Магнитный монополь
• Магнетрон
• Магнетизм
• Магнитные материалы