Магнитометр

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Магнитометр перед погружением

Магнитометр — (от гр. magnetis — магнит + гр. μετρεω измеряю), прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств 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. Магнитометры градуируются в единицах напряжённости магнитного поля СГС системы единиц (Эрстед, мЭ, мкЭ, гамма = 105 Э) и в единицах магнитной индукции СИ (Тесла, мкТл, нТл). Магнитометры.

Применяется:

Типы магнитометров[править | править исходный текст]

Магнитостатические магнитометры[править | править исходный текст]

(механический магнитометр) основаны на измерении механического момента J, действующего на индикаторный магнит прибора в измеряемом поле  H_i; \vec{J} = [\vec{M}, \vec{H_i}], где Mмагнитный момент индикаторного магнита. Момент J в магнитометрах различной конструкции сравнивается:

  • с моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые магнитометры и универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью G ~ 1 нтл)
  • с моментом силы тяжести (магнитные весы с G ~  10^{-15} нтл)
  • 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 H_i, можно измерить абсолютную величину H_i (абсолютный метод Гаусса).

Основное назначение магнитостатических магнитометров — измерение компонент и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля, градиента поля, а также магнитных свойств веществ.

Индукционные магнитометры[править | править исходный текст]

Индукционный магнитометр

Основаны на явлении электромагнитной индукции — возникновении эдс в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь её контур магнитного потока \Theta. Изменение потока в катушке может быть связано:

  • 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.
  • с периодическим изменением положения (вращением, колебанием) измерительной катушки в измеряемом поле (рис. 2); простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G ~ 10^{-8} тл. У наиболее чувствительных вибрационных магнитометров G ~ 0,1—1 нтл.
  • 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 ферромодуляционные[1] магнитометры имеют G ~ 0,2—1 нтл.

Индукционные магнитометры применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т. д.

  • Вибрационный магнитометр
  • Флюксметр
  • Феррозондовый магнитометр.

Квантовые магнитометры[править | править исходный текст]

Приборы, основанные на свободной прецессии магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах (ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе). Для наблюдения зависимости частоты ~\Omega прецессии магнитных моментов микрочастиц от напряжённости ~H_{i} измеряемого поля (\Omega=\gamma\times H_{i}, где ~\gamma — 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 др. Квантовые магнитометры применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей (в том числе геомагнитного и магнитного поля в космическом пространстве), в геологоразведке, в магнитохимии (G до 10^{-5}-10^{-7} нтл). Значительно меньшую чувствительность (G ~ 10^{-5} тл) имеют квантовые магнитометры для измерения сильных магнитных полей.

Чувствительность квантового магнитометра G определяется следующим соотношением[2]:

~G = k\Gamma/{\gamma S_n}

где k константа, \Gamma — ширина спектральной линии, \gamma - гиромагнитное отношение и S_n — отношение сигнал/шум. Чувствительность не зависит от ларморовой частоты. Магнитометры Оверхаузена, ларморова частота которых равна 0.042 Гц/нТл, цезиевый и гелиевый-4 магнитометры с 3.5 Гц/нТл и 28 Гц/нТл, соответственно, имеют одинаковую чувствительность. Ширина спектральной линиии \Gamma для разных квантовых магнитометров приведена в таблице.

Сравнение магнитометров[править | править исходный текст]

Таблица 1, Ширина линии магнитного резонанса в различных магнитометрах
Тип магнитометра Ширина резонансной линии, \Gamma, нТл
Цезий 20
Гелий 3 2.74x10^{-5}
Гелий 4 70
Оверхаузер 4
Калий 0.1-10
Протон 15

Применение магнитометров в медицине[править | править исходный текст]

Таблица 2, Общая характеристика магнитных полей в биологии[3]
Величина магнитного поля, Тл Источники и оценка магнитометра Тип магнитометра
10^{-2} - 10^{-3} Предельно допустимое поле на рабочем месте
10^{-4}-10^{-7} Геомагнитное поле Холловский датчик
10^{-8} Городские магнитные помехи, Феррозонд
10^{-9} Порог магнитобиологических реакций Феррозонд
10^{-10} Сигнал электрического органа рыб, геомагнитный шум, сердце, ферромагнитные включения Индукционный
10^{-11} Мышцы скелетные, глаз Магнитометр с оптической накачкой
10^{-12} Фоновая и вызванная активность мозга Магнитометр с оптической накачкой
10^{-13} Сетчатка глаза Магнитометр с оптической накачкой
10^{-14} Чувствительность СКВИДА СКВИД

Калибровка магнитометров[править | править исходный текст]

Установка для калибровки магнитометров

Некоторые факты развития магнитометрии в России[править | править исходный текст]

Русский ученый М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса[источник не указан 1333 дня]. Для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитной обсерватории была осуществлена лишь спустя 60 лет в России.

В 1956 году на советской шхуне «Заря» проводятся измерения магнитного поля. Все материалы и предметы корабельного хозяйства на этой шхуне были изготовлены из дерева и немагнитных сплавов, влияние магнитных полей моторов и другого оборудования минимизировано. В настоящее время весь Земной шар покрыт сетью пунктов где производят магнитные измерения (Например международная сеть магнитометрических станций INTERMAGNET (укр.)русск.).

В 1934 г. впервые в мире советский географ А. А. Логачев сконструировал прибор, позволяющий измерять магнитное поле Земли с самолёта. Катушка аэромагнитометра быстро вращается в магнитном поле Земли и в ней возникает электрический ток. Сила этого тока изменяется пропорционально изменению магнитного поля Земли.[источник не указан 1333 дня]

См. также[править | править исходный текст]

Литература[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Магнитометр — статья из Физической энциклопедии
  2. Magnetometer Magnetometers Geophysics Magnetic Field Sensors Gradiometer Gradiometers
  3. Ю.А.Холодов, А.Н.Козлов, А.М. Горбачь, "Магнитные поля биологических объектов", Москва, "Наука", 1987 г.