Tartalom
- A mágnesmérő érzékelője
- A mágnesmérő felhasználása
- Anyagmágnesmérők
- Fizika a mágnesmérő mögött
- Magnetométer jelenségek
- Egyéb mágnesmérő jelenségek
- Pontos mágnesmérő mérések
- A gyakorlatban a magnetométer
Magnetométer(amelyet néha "mágnesmérőnek" írnak) mérje meg a mágneses mező, általában tesla egységekben adják meg. Mivel a fémes tárgyak érintkezésbe kerülnek vagy közel állnak a Föld mágneses mezőjéhez, mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek.
Az olyan fémek és fémötvözetek összetételű anyagok esetében, amelyek lehetővé teszik az elektronok és a töltés szabad áramlását, a mágneses terek szabadulnak fel. Az iránytű jó példa egy fém tárgyra, amely olyan kölcsönhatásba lép a Föld mágneses mezőjével, hogy a tű a mágneses észak felé mutat.
A magnetométerek is mérik a mágneses fluxussűrűség, a mágneses fluxus mennyisége egy adott területen. Gondolkodhat a fluxusra mint olyan hálóra, amely lehetővé teszi a víz áramlását rajta, ha a folyó áramának irányába mutat. A fluxus azt méri, hogy az elektromos mező hányszor áramlik át rajta.
Meghatározhatja az érték mágneses mezőjét, ha egy meghatározott sík felületre, például egy téglalap alakú lapra vagy egy hengeres házra mér. Ez lehetővé teszi, hogy kitaláld, hogy a mágneses mező, amely erőt gyakorol egy tárgyra vagy egy mozgó töltött részecskére, függ a terület és a mező közötti szögtől.
A mágnesmérő érzékelője
A mágnesmérő érzékelője érzékeli a mágneses fluxus sűrűségét, amely átalakítható mágneses mezőré. A kutatók a magnetométereket használják fel a Föld vaslerakódásainak felmérésére a kőzet különféle szerkezete által kibocsátott mágneses mező mérésével. A tudósok magnetométerekkel is meghatározhatják a hajótörések és más tárgyak helyét a tenger vagy a föld alatt.
A magnetométer lehet vektor vagy skalár. Vektoros magnetométerek észlelheti a fluxus sűrűségét egy meghatározott irányban a térben, attól függően, hogy hogyan orientálja. Skaláris magnetométerekviszont csak a fluxusvektor nagyságát vagy erősségét érzékeli, nem pedig a szög helyzetét, amelyen a mérést végezte.
A mágnesmérő felhasználása
Az okostelefonok és más mobiltelefonok beépített magnetométereket használnak a mágneses mezők mérésére és annak meghatározására, hogy a telefon áramlása milyen irányban észak felé halad. Az okostelefonokat általában azzal a céllal tervezik, hogy többdimenziós legyenek az általuk támogatott alkalmazások és szolgáltatások számára. Az okostelefonok a telefongyorsulásmérő és GPS egység kimenetét is felhasználják a hely és az iránytű irányának meghatározására.
Ezek a gyorsulásmérők beépített eszközök, amelyek meghatározzák az okostelefonok helyzetét és tájolását, például a mutató irányát. Ezeket a fitnesz alapú alkalmazásokban és a GPS-szolgáltatásokban használják azáltal, hogy megmérik, hogy a telefon milyen gyorsan gyorsul fel. Mikroszkopikus kristályszerkezetek érzékelőivel működnek, amelyek a rájuk kifejtett erő kiszámításával pontos gyorsasági változásokat észlelnek a gyorsulásban.
Bill Hammack vegyészmérnök szerint a mérnökök ezeket a gyorsulásmérőket szilikonból készítik úgy, hogy biztonságosak és stabilok maradjanak az okostelefonokban, miközben mozognak. Ezeknek a chipeknek olyan része van, amely oszcillál, vagy oda-vissza mozog, és észlelheti a szeizmikus mozgásokat. A mobiltelefon felismeri a szilikonlemez pontos mozgását ebben a készülékben a gyorsulás meghatározása érdekében.
Anyagmágnesmérők
A magnetométer működésének nagysága változhat. Az iránytű egyszerű példájához az iránytű tűje úgy van beállítva, hogy a Föld északi részén mágneses mező olyan legyen, hogy nyugalmi állapotában egyensúlyba lépjen. Ez azt jelenti, hogy az rá ható erők összege nulla, és az együttérzés saját gravitációjának súlya eltűnik a rá ható Föld mágneses erőjével. Bár a példa egyszerű, a mágnesesség tulajdonságát szemlélteti, amely lehetővé teszi más mágnesmérők működését.
Az elektronikus iránytűk olyan jelenségek segítségével határozhatják meg, hogy a mágneses északi irány melyik irányba mutat, például Hall-effektus, magnetoinductionvagy mangetoresistance.
Fizika a mágnesmérő mögött
A Hall-effektus azt jelenti, hogy az olyan vezetők, amelyeknek elektromos áramuk átfolyik rajtuk, merőleges feszültséget hoznak létre az áram mezőjére és irányára. Ez azt jelenti, hogy a magnetométerek félvezető anyagot használhatnak az áram átadására és annak meghatározására, hogy a mágneses mező a közelben van-e.Azt méri, hogy az áram torzul vagy szöget hajt be a mágneses mező miatt, és a feszültség, amelyen ez fellép, a Hall feszültség, amelynek arányosnak kell lennie a mágneses mezővel.
Magnetoinduction A módszerek ezzel szemben megmérik, hogy az anyag mágnesezve van-e vagy válik, amikor egy külső mágneses mezőnek kitették. Ez magában foglalja a teremtést demagnetizációs görbék, más néven B-H görbék vagy hiszterézis görbék, amelyek mérik a mágneses fluxust és a mágneses erő erősségét egy anyagon keresztül, amikor mágneses mezőnek vannak kitéve.
Ezek a görbék lehetővé teszik a tudósok és a mérnökök osztályozását az anyagokat alkotó eszközökben, például elemek és elektromágnesek, annak alapján, hogy ezek az anyagok hogyan reagálnak a külső mágneses mezőre. Meg tudják határozni, hogy milyen mágneses fluxust és erőt gyakorolnak ezek az anyagok, amikor a külső mezőknek vannak kitéve, és osztályozhatják őket mágneses erő szerint.
Végül, mágneses A mágnesmérőkben alkalmazott módszerek az objektumok azon képességének felismerésére támaszkodnak, hogy megváltoztassák az elektromos ellenállást, amikor külső mágneses mezőnek vannak kitéve. Hasonlóan a mágneses vezetési technikákhoz, a mágnesmérők kihasználják a anizotróp mágneses ellenállás (AMR) ferromágnesek, olyan anyagok, amelyek mágneseztetése után mágneses tulajdonságokkal is rendelkeznek, még a mágnesezés eltávolítása után is.
Az AMR magában foglalja az elektromos áram iránya és a mágnesezés közötti észlelést mágnesezés jelenlétében. Ez akkor fordul elő, amikor az anyagot alkotó elektronpályák spinjei külső mező jelenlétében újraelosztják magukat.
Az elektronpörgetés nem az, hogy egy elektron valóban forog, mintha egy centrifugálás vagy gömb lenne, hanem inkább egy belső kvantumjellemző és egy szögmozgás egy formája. Az elektromos ellenállás maximális értéke akkor áll, ha az áram párhuzamos a külső mágneses mezővel, így a mező megfelelő módon kiszámítható.
Magnetométer jelenségek
A mangetoresistive szenzorok A magnetométerekben a mágneses mező meghatározásakor a fizika alapvető törvényei támaszkodnak. Ezek az érzékelők olyan mágneses terek jelenlétében mutatják be a Hall-effektust, hogy az azokban levő elektronok ív alakban folynak. Minél nagyobb a kör alakú, forgó mozgás sugara, annál nagyobb az út a töltött részecskéknek, és annál erősebb a mágneses mező.
A növekvő ívmozgásokkal az út nagyobb ellenállással is rendelkezik, így a készülék kiszámolhatja, hogy milyen mágneses mező gyakorolja ezt az erőt a töltött részecskére.
Ezek a számítások tartalmazzák a hordozó vagy az elektron mobilitását, azt, hogy az elektron milyen gyorsan mozoghat egy fém vagy félvezetőn külső mágneses mező jelenlétében. A Hall-effektus jelenlétében néha a Hall mozgékonysága.
Matematikailag a mágneses erő F egyenlő a részecske töltésével q az idő a részecskék sebességének keresztterméke v és a mágneses mező B. Ez a következő formája: Lorentz-egyenlet a mágnesességért F = q (v x B) amiben x a kereszttermék.
••• Syed Hussain AtherHa meg akarja határozni a két vektor közötti kereszteződést egy és b, kitalálhatja, hogy a kapott vektor c a paralelogram nagysága, amelyet a két vektor átfed. A kapott kereszttermék-vektor merőleges irányba mutat egy és b a jobb oldali szabály alapján.
A jobb oldali szabály azt mondja, hogy ha a jobb mutatóujját a b vektor irányába, a jobb középső ujját az a vektor irányába helyezi, akkor a kapott vektor c a jobb hüvelykujjának irányába megy. A fenti ábra bemutatja a három vektor irányának viszonyt.
A Lorentz-egyenlet azt mondja, hogy ha nagyobb az elektromos mező, akkor több elektromos erő hat a mozgó töltött részecskére a mezőben. Három vektor mágneses erejét, mágneses mezőjét és a töltött részecske sebességét összekapcsolhatja a jobb oldali szabály segítségével, kifejezetten ezekhez a vektorokhoz.
A fenti diagramban ez a három mennyiség megegyezik azzal a természetes módon, amelyet jobb kezed mutat ezen irányban. Minden mutató, középső ujj és hüvelykujj a kapcsolat egyikének felel meg.
Egyéb mágnesmérő jelenségek
A magnetométerek szintén észlelhetnek magnetosztrikció, két effektus kombinációja. Az első a Joule-effektus, a mágneses mező okozza a fizikai anyag összehúzódását vagy tágulását. A második a Villari hatás, hogy a külső stressznek kitett anyag hogyan változik, miként reagál a mágneses mezőkre.
Egy olyan magnetosztrikciós anyag felhasználásával, amely ezeket a jelenségeket könnyen mérhető módon és egymástól függően mutatja be, a magnetométerek még pontosabb és pontosabb méréseket végezhetnek a mágneses mezőben. Mivel a magnetostriktív hatás nagyon kicsi, az eszközöknek közvetetten kell mérniük.
Pontos mágnesmérő mérések
Fluxát érzékelők még nagyobb pontosságot ad a mágnesmérőnek a mágneses mezők észlelésekor. Ezek az eszközök két fémtekercsből állnak, amelyeknek ferromágneses magjai vannak, olyan anyagokból, amelyek mágneseztetés után mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek még a mágnesezés eltávolítása után is.
Amikor meghatározza a mag által okozott mágneses fluxust vagy mágneses teret, kitalálhatja, hogy mi az áram vagy az áram változása okozta. A két magot egymás mellé helyezzük el úgy, hogy a huzalok az egyik mag körül a másik vezetékét tekerjék.
Ha váltakozó áramot használ, amely rendszeres időközönként megfordítja az irányát, akkor mindkét mag mágneses mezőt eredményez. Az indukált mágneses mezőknek egymással szemben kell állniuk, és ki kell szüntetniük egymást, ha nincs külső mágneses mező. Ha van egy külső, akkor a mágneses mag telítetten reagál erre a külső mezőre. A mágneses mező vagy a fluxus változásának meghatározásával meghatározhatja ezen külső mágneses mezők jelenlétét.
A gyakorlatban a magnetométer
Bármelyik magnetométer tartományának alkalmazása azon tudományágak között, amelyekben a mágneses mező releváns. A fémberendezéseket létrehozó és azokon dolgozó gyártóüzemekben és automatizált eszközökben a mágnesmérő biztosítja, hogy a gépek megfelelő irányt tartsanak, amikor olyan műveleteket hajtanak végre, mint például fémek átfúrása vagy alapanyagok vágása.
A minták alapanyagait kutató laboratóriumoknak meg kell értenie, hogy a különféle fizikai erők, például a Hall-effektus hogyan játszanak szerepet, amikor mágneses mezőknek vannak kitéve. Osztályozhatják mágneses pillanatok diamagnetikus, paramágneses, feromágneses vagy anti-mágneses anyagként.
Diamagnetikus anyagok nincsenek pár vagy pár páratlan elektronuk, tehát nem mutatnak nagy mágneses viselkedést, paramágneses páratlan elektronokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a mezők szabad áramlását, a ferromágneses anyag mágneses tulajdonságokat mutat külső mező jelenlétében, miközben az elektronok a mágneses doménekkel párhuzamosan forognak, és antiferromágneses az anyagoknak az elektron-centrifugák párhuzamosan vannak velük.
A hasonló területek régészei, geológusai és kutatói felismerhetik az anyagok tulajdonságait a fizikában és a kémiában azzal, hogy kitalálják, hogyan lehet a mágneses teret felhasználni más mágneses tulajdonságok meghatározására, vagy hogyan lehet tárgyakat megtalálni a Föld felszíne alatt. Megengedhetik a kutatóknak, hogy meghatározzák a szénlerakódások helyét, és leképezzék a Föld belsejét. A katonai szakemberek hasznosnak találják ezeket az eszközöket a tengeralattjárók helymeghatározásában, a csillagászok pedig hasznosnak találják azok felkutatására, hogy az űrben lévő tárgyakat hogyan befolyásolja a Föld mágneses tere.