Contenu
- Le capteur du magnétomètre
- Utilisations du magnétomètre
- Magnétomètres dans les matériaux
- La physique derrière le magnétomètre
- Phénomènes du magnétomètre
- Autres phénomènes de magnétomètre
- Mesures magnétométriques précises
- Le magnétomètre en pratique
Magnétomètres(parfois écrit comme "magnétomètre") mesurer la force et la direction de champ magnétique, généralement donné en unités de teslas. Lorsque des objets métalliques entrent en contact ou se rapprochent du champ magnétique terrestre, ils présentent des propriétés magnétiques.
Pour les matériaux avec une telle composition de métaux et d'alliages métalliques qui permettent aux électrons et à la charge de s'écouler librement, des champs magnétiques sont générés. Une boussole est un bon exemple d'objet métallique entrant en interaction avec le champ magnétique terrestre, de telle sorte que l'aiguille pointe vers le nord magnétique.
Les magnétomètres mesurent également la densité de flux magnétique, la quantité de flux magnétique sur une certaine zone. Vous pouvez considérer le flux comme un filet qui laisse passer l’eau si vous vous inclinez dans la direction du courant d’une rivière. Le flux mesure la quantité de champ électrique qui le traverse de cette manière.
Vous pouvez déterminer le champ magnétique à partir de cette valeur si vous le mesurez sur une surface plane spécifique, telle qu'une feuille rectangulaire ou un boîtier cylindrique. Cela vous permet de comprendre comment le champ magnétique qui exerce une force sur un objet ou une particule chargée en mouvement dépend de l'angle entre la zone et le champ.
Le capteur du magnétomètre
Le capteur d'un magnétomètre détecte la densité de flux magnétique pouvant être convertie en champ magnétique. Les chercheurs utilisent des magnétomètres pour détecter les dépôts de fer dans la Terre en mesurant le champ magnétique dégagé par diverses structures rocheuses. Les scientifiques peuvent également utiliser des magnétomètres pour déterminer l'emplacement des épaves de navires et d'autres objets sous la mer ou sous la terre.
Un magnétomètre peut être vectoriel ou scalaire. Magnétomètres vectoriels détecte la densité de flux dans une direction spécifique de l’espace en fonction de l’orientation choisie. Magnétomètres scalairesEn revanche, détectez uniquement la magnitude ou la force du vecteur de flux, et non la position de l'angle à laquelle il est mesuré.
Utilisations du magnétomètre
Les smartphones et autres téléphones cellulaires utilisent des magnétomètres intégrés pour mesurer les champs magnétiques et déterminer dans quelle direction se trouve le nord dans le courant provenant du téléphone lui-même. Généralement, les smartphones sont conçus de manière à être multidimensionnels pour les applications et fonctionnalités qu’ils peuvent prendre en charge. Les smartphones utilisent également la sortie d'un accéléromètre et d'un GPS pour déterminer l'emplacement et les indications du compas.
Ces accéléromètres sont des dispositifs intégrés qui peuvent déterminer la position et l’orientation des téléphones intelligents, telles que la direction dans laquelle vous le dirigez. Ceux-ci sont utilisés dans les applications de fitness et les services GPS en mesurant la rapidité avec laquelle votre téléphone accélère. Ils travaillent en utilisant des capteurs de structures cristallines microscopiques capables de détecter des changements d'accélération précis et infimes, en calculant la force exercée sur eux.
L'ingénieur en chimie Bill Hammack a déclaré que les ingénieurs créent ces accéléromètres en silicium, de sorte qu'ils restent sécurisés et stables dans les smartphones pendant leur déplacement. Ces puces ont une partie qui oscille ou qui va et vient, qui détecte les mouvements sismiques. Le téléphone portable peut détecter le mouvement précis d'une feuille de silicium dans cet appareil pour déterminer l'accélération.
Magnétomètres dans les matériaux
Un magnétomètre peut varier considérablement sur la façon dont cela fonctionne. Pour le simple exemple d'une boussole, l'aiguille d'une boussole s'aligne sur le nord du champ magnétique terrestre, de telle sorte que, lorsqu'il est au repos, il est à l'équilibre. Cela signifie que la somme des forces agissant sur elle est nulle et que le poids de la gravité du compas s'annule avec la force magnétique de la Terre qui agit sur elle. Bien que l'exemple soit simple, il illustre la propriété du magnétisme qui permet à d'autres magnétomètres de fonctionner.
Compas électroniques peuvent déterminer quelle direction est le nord magnétique en utilisant des phénomènes tels que le effet Hall, magnétoinduction, ou résistance mécanique.
La physique derrière le magnétomètre
L'effet Hall signifie que les conducteurs traversés par des courants électriques créent une tension perpendiculaire au champ et à la direction du courant. Cela signifie que les magnétomètres peuvent utiliser un matériau semi-conducteur pour faire passer le courant et déterminer si un champ magnétique est à proximité.Il mesure la façon dont le courant est déformé ou incliné en raison du champ magnétique, et la tension à laquelle cela se produit est la Tension de hall, qui devrait être proportionnelle au champ magnétique.
Magnétoinduction Les méthodes, en revanche, mesurent le degré de magnétisation d'un matériau lorsqu'il est exposé à un champ magnétique externe. Cela implique la création courbes de démagnétisation, également appelées courbes B-H ou courbes d’hystérésis, qui mesurent le flux magnétique et la force de la force magnétique à travers un matériau lorsqu’il est exposé à un champ magnétique.
Ces courbes permettent aux scientifiques et aux ingénieurs de classer les matériaux constituant des dispositifs tels que les batteries et les électroaimants en fonction de la manière dont ils réagissent au champ magnétique externe. Ils peuvent déterminer le flux magnétique et la force que subissent ces matériaux lorsqu'ils sont exposés aux champs externes et les classer par force magnétique.
Finalement, magnétorésistance Les méthodes utilisées dans les magnétomètres reposent sur la détection de la capacité d’un objet à modifier la résistance électrique lorsqu’il est exposé à un champ magnétique externe. Comme pour les techniques de magnétoinduction, les magnétomètres exploitent la magnétorésistance anisotrope (AMR) des aimants ferromagnétiques, matériaux qui, après avoir été soumis à l'aimantation, présentent des propriétés magnétiques même après l'élimination de l'aimantation.
La RAM implique la détection entre la direction du courant électrique et la magnétisation en présence de magnétisation. Cela se produit lorsque les spins des orbitales électroniques constituant le matériau se redistribuent en présence d'un champ externe.
Le spin de l'électron n'est pas la manière dont un électron tourne réellement comme s'il s'agissait d'une toupie ou d'une boule, mais plutôt une propriété quantique intrinsèque et une forme de moment cinétique. La résistance électrique a une valeur maximale lorsque le courant est parallèle à un champ magnétique externe afin que le champ puisse être calculé de manière appropriée.
Phénomènes du magnétomètre
le capteurs mangetoresistifs dans les magnétomètres reposent sur les lois fondamentales de la physique pour déterminer le champ magnétique. Ces capteurs présentent l’effet Hall en présence de champs magnétiques tels que les électrons qu’ils contiennent s’écoulent en forme d’arc. Plus le rayon de ce mouvement circulaire est grand, plus le chemin emprunté par les particules chargées est grand et plus le champ magnétique est puissant.
Avec les mouvements croissants de l’arc, le chemin a une plus grande résistance, ce qui permet au dispositif de calculer quel type de champ magnétique exercerait cette force sur la particule chargée.
Ces calculs impliquent la mobilité des porteurs ou des électrons, la rapidité avec laquelle un électron peut traverser un métal ou un semi-conducteur en présence d'un champ magnétique externe. En présence de l'effet Hall, on l'appelle parfois le La mobilité de la salle.
Mathématiquement, la force magnétique F est égal à la charge de la particule q temps le produit croisé de la vitesse des particules v et champ magnétique B. Il prend la forme du Équation de Lorentz pour le magnétisme F = q (v x B) dans lequel X est le produit croisé.
••• Syed Hussain AtherSi vous voulez déterminer le produit croisé entre deux vecteurs une et b, vous pouvez comprendre que le vecteur résultant c a la magnitude du parallélogramme que couvrent les deux vecteurs. Le vecteur de produit croisé résultant est perpendiculaire à une et b donnée par la règle de la main droite.
La règle de la main droite vous indique que, si vous placez votre index droit dans la direction du vecteur b et votre majeur dans la direction du vecteur a, le vecteur résultant c va dans la direction de votre pouce droit. Dans le diagramme ci-dessus, la relation entre ces trois directions de vecteurs est montrée.
L'équation de Lorentz vous indique qu'avec un champ électrique plus grand, la force électrique exercée sur une particule chargée en mouvement est plus importante dans le champ. Vous pouvez également associer trois vecteurs force magnétique, champ magnétique et vitesse de la particule chargée au moyen d’une règle de la main droite spécifique à ces vecteurs.
Dans le diagramme ci-dessus, ces trois quantités correspondent à la manière naturelle que votre main droite indique dans ces directions. Chaque index, majeur et pouce correspond à l'une des relations.
Autres phénomènes de magnétomètre
Les magnétomètres peuvent également détecter magnétostriction, une combinaison de deux effets. Le premier est le Effet Joule, la manière dont un champ magnétique provoque la contraction ou la dilatation d’un matériau physique. La seconde est la Effet Villari, comment le matériau soumis aux contraintes externes change dans sa réponse aux champs magnétiques.
En utilisant un matériau magnétostrictif qui présente ces phénomènes de manière facile à mesurer et dépendants les uns des autres, les magnétomètres peuvent effectuer des mesures encore plus précises du champ magnétique. L'effet magnétostrictif étant très faible, les appareils doivent le mesurer indirectement.
Mesures magnétométriques précises
Capteurs Fluxgate donner un magnétomètre encore plus précis dans la détection des champs magnétiques. Ces dispositifs sont constitués de deux bobines métalliques avec des noyaux ferromagnétiques, des matériaux qui, après avoir été soumis à une aimantation, présentent des propriétés magnétiques même après le retrait de la magnétisation.
Lorsque vous déterminez le flux magnétique ou le champ magnétique résultant du noyau, vous pouvez déterminer quel courant ou changement de courant pourrait en être la cause. Les deux noyaux sont placés l'un à côté de l'autre de manière à ce que les fils soient enroulés autour d'un noyau en miroir.
Lorsque vous utilisez un courant alternatif, qui inverse sa direction à intervalles réguliers, vous produisez un champ magnétique dans les deux noyaux. Les champs magnétiques induits doivent s’opposer et s’annuler s’il n’ya pas de champ magnétique externe. S'il y en a un externe, le noyau magnétique se saturera en réponse à ce champ externe. En déterminant le changement de champ magnétique ou de flux, vous pouvez déterminer la présence de ces champs magnétiques externes.
Le magnétomètre en pratique
Les applications de toute gamme de magnétomètres dans toutes les disciplines pour lesquelles le champ magnétique est pertinent. Dans les usines de fabrication et les dispositifs automatisés qui créent et travaillent sur des équipements métalliques, un magnétomètre peut garantir que les machines maintiennent une direction appropriée lorsqu'elles effectuent des opérations telles que percer des métaux ou découper des matériaux en forme.
Les laboratoires qui créent et effectuent des recherches sur des échantillons de matériaux doivent comprendre comment diverses forces physiques telles que l’effet Hall entrent en jeu lorsqu’elles sont exposées à des champs magnétiques. Ils peuvent classer moments magnétiques diamagnétiques, paramagnétiques, ferromagnétiques ou antiferromagnétiques.
Matériaux diamagnétiques avoir peu ou pas d'électrons non appariés, donc ne pas montrer beaucoup de comportement magnétique, paramagnétique les uns ont des électrons non appariés qui laissent les champs s’écouler librement, le matériau ferromagnétique présente des propriétés magnétiques en présence d’un champ externe où les électrons tournent parallèlement aux domaines magnétiques, et antiferromagnétique les matériaux ont l'électron tourne antiparallel à eux.
Les archéologues, les géologues et les chercheurs de domaines similaires peuvent détecter les propriétés des matériaux en physique et en chimie en déterminant comment le champ magnétique peut être utilisé pour déterminer d'autres propriétés magnétiques ou pour localiser des objets situés sous la surface de la Terre. Ils peuvent laisser les chercheurs déterminer l'emplacement des gisements de charbon et cartographier l'intérieur de la Terre. Les professionnels militaires trouvent ces dispositifs utiles pour localiser les sous-marins et les astronomes les jugent utiles pour explorer la manière dont les objets dans l'espace sont affectés par le champ magnétique de la Terre.