เนื้อหา
- เซ็นเซอร์ของ Magnetometer
- การใช้งานของ Magnetometer
- Magnetometers ในวัสดุ
- ฟิสิกส์เบื้องหลัง Magnetometer
- ปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้า
- ปรากฏการณ์ Magnetometer อื่น ๆ
- การวัด Magnetometer ที่แม่นยำ
- Magnetometer ในทางปฏิบัติ
magnetometers(บางครั้งเขียนเป็น "เครื่องวัดเมตร") วัดความแรงและทิศทางของ สนามแม่เหล็กมักให้เป็นหน่วยของเทสลา เมื่อวัตถุที่เป็นโลหะสัมผัสหรือเข้าใกล้สนามแม่เหล็กโลกพวกมันก็แสดงคุณสมบัติของแม่เหล็ก
สำหรับวัสดุที่มีองค์ประกอบของโลหะและโลหะผสมเช่นนี้ที่ปล่อยให้อิเล็กตรอนและประจุไฟฟ้าไหลได้อย่างอิสระจะถูกปล่อยออกจากสนามแม่เหล็ก เข็มทิศเป็นตัวอย่างที่ดีของวัตถุที่เป็นโลหะซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กโลกซึ่งเข็มจะชี้ไปที่ทิศเหนือแม่เหล็ก
Magnetometers ยังวัด ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กปริมาณฟลักซ์แม่เหล็กบนพื้นที่หนึ่ง คุณสามารถคิดถึงฟลักซ์เป็นตาข่ายที่ช่วยให้น้ำไหลผ่านถ้าคุณทำมุมในทิศทางของแม่น้ำในปัจจุบัน ฟลักซ์วัดปริมาณของสนามไฟฟ้าที่ไหลผ่านด้วยวิธีนี้
คุณสามารถตรวจสอบสนามแม่เหล็กในรูปแบบค่านี้ถ้าคุณวัดบนพื้นผิวระนาบที่เฉพาะเจาะจงเช่นแผ่นสี่เหลี่ยมหรือกรณีทรงกระบอก สิ่งนี้จะช่วยให้คุณทราบว่าสนามแม่เหล็กที่ออกแรงแรงกับวัตถุหรืออนุภาคที่มีประจุที่เคลื่อนไหวนั้นขึ้นอยู่กับมุมระหว่างพื้นที่และสนาม
เซ็นเซอร์ของ Magnetometer
เซ็นเซอร์ของมิเตอร์แม๊กโกตรวจจับความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กซึ่งสามารถแปลงเป็นสนามแม่เหล็กได้ นักวิจัยใช้เครื่องวัดแม่เหล็กเพื่อตรวจจับการสะสมของธาตุเหล็กในโลกโดยการวัดสนามแม่เหล็กที่ปล่อยออกมาจากโครงสร้างของหินต่างๆ นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถใช้เครื่องวัดแม่เหล็กเพื่อระบุตำแหน่งของซากเรืออับปางและวัตถุอื่น ๆ ใต้ทะเลหรือใต้พื้นดิน
magnetometer สามารถเป็นเวกเตอร์หรือสเกลาร์ก็ได้ เครื่องวัดเวกเตอร์ ตรวจจับความหนาแน่นฟลักซ์ในทิศทางที่เฉพาะเจาะจงในอวกาศขึ้นอยู่กับว่าคุณปรับทิศทางอย่างไร แม่เหล็กสเกลาร์ในทางกลับกันตรวจสอบเพียงขนาดหรือความแข็งแรงของเวกเตอร์ฟลักซ์ไม่ใช่ตำแหน่งของมุมที่วัด
การใช้งานของ Magnetometer
สมาร์ทโฟนและโทรศัพท์มือถืออื่น ๆ ใช้เครื่องวัดแม่เหล็กในตัวเพื่อวัดสนามแม่เหล็กและกำหนดว่าทิศเหนือผ่านกระแสจากโทรศัพท์ โดยปกติแล้วสมาร์ทโฟนได้รับการออกแบบโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นหลายมิติสำหรับแอปพลิเคชันและคุณสมบัติที่สามารถรองรับได้ สมาร์ทโฟนยังใช้เอาต์พุตจากโทรศัพท์ accelerometer และหน่วย GPS เพื่อกำหนดตำแหน่งและทิศทางของเข็มทิศ
มาตรวัดความเร่งเหล่านี้เป็นอุปกรณ์ในตัวที่สามารถกำหนดตำแหน่งและทิศทางของสมาร์ทโฟนเช่นทิศทางที่คุณกำลังชี้ สิ่งเหล่านี้ถูกใช้ในแอพฟิตเนสและบริการ GPS ด้วยการวัดความเร็วของโทรศัพท์ของคุณเร่งความเร็ว พวกมันทำงานโดยใช้เซ็นเซอร์ของโครงสร้างผลึกขนาดเล็กที่สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความเร็วในการเร่งความเร็วได้อย่างแม่นยำโดยการคำนวณแรงที่กระทำกับพวกมัน
Bill Hammack วิศวกรเคมีกล่าวว่าวิศวกรสร้างเครื่องเร่งความเร็วเหล่านี้จากซิลิกอนเพื่อให้พวกเขายังคงปลอดภัยและมีเสถียรภาพในสมาร์ทโฟนขณะที่พวกเขาเคลื่อนไหว ชิปเหล่านี้มีส่วนที่แกว่งไปมาหรือเคลื่อนที่ไปมาซึ่งตรวจจับการเคลื่อนไหวของคลื่นไหวสะเทือน โทรศัพท์มือถือสามารถตรวจจับการเคลื่อนไหวที่แม่นยำของแผ่นซิลิกอนในอุปกรณ์นี้เพื่อกำหนดการเร่งความเร็ว
Magnetometers ในวัสดุ
magnetometer สามารถแตกต่างกันมากในการทำงาน สำหรับตัวอย่างง่ายๆของเข็มทิศเข็มของเข็มทิศนั้นเรียงตัวเข้ากับทิศเหนือของสนามแม่เหล็กโลกเช่นเมื่ออยู่นิ่งมันจะอยู่ในสภาวะสมดุล นี่หมายถึงผลรวมของแรงที่กระทำต่อมันเป็นศูนย์และน้ำหนักของแรงโน้มถ่วงของเข็มทิศเองจะถูกยกเลิกด้วยแรงแม่เหล็กจากโลกที่กระทำกับมัน แม้ว่าตัวอย่างจะง่าย แต่ก็แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติของสนามแม่เหล็กที่ช่วยให้เครื่องวัดสนามแม่เหล็กอื่น ๆ ทำงานได้
เข็มทิศอิเล็กทรอนิกส์สามารถกำหนดทิศทางที่เป็นทิศเหนือแม่เหล็กโดยใช้ปรากฏการณ์เช่น ฮอลล์เอฟเฟค, magnetoinduction, หรือ mangetoresistance.
ฟิสิกส์เบื้องหลัง Magnetometer
เอฟเฟกต์ฮอลล์หมายถึงตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสร้างแรงดันไฟฟ้าตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าและทิศทางของกระแสไฟฟ้า นั่นหมายความว่าเครื่องวัดแม่เหล็กสามารถใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์เพื่อส่งผ่านกระแสไฟฟ้าและตรวจสอบว่ามีสนามแม่เหล็กอยู่ใกล้เคียงหรือไม่มันวัดวิธีที่กระแสไฟฟ้าบิดเบี้ยวหรือทำมุมเนื่องจากสนามแม่เหล็กและแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นคือ ฮอลล์แรงดันไฟฟ้าซึ่งควรเป็นสัดส่วนกับสนามแม่เหล็ก
Magnetoinduction ในทางตรงกันข้ามวิธีการวัดว่าวัสดุเป็นแม่เหล็กหรือกลายเป็นอย่างไรเมื่อสัมผัสกับสนามแม่เหล็กภายนอก สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการสร้าง เส้นโค้งการล้างอำนาจแม่เหล็กหรือที่รู้จักกันในชื่อ B-H curves หรือ hysteresis curves ซึ่งวัดฟลักซ์แม่เหล็กและความแรงของสนามแม่เหล็กผ่านวัสดุเมื่อสัมผัสกับสนามแม่เหล็ก
เส้นโค้งเหล่านี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจัดประเภทวัสดุที่ประกอบเป็นอุปกรณ์เช่นแบตเตอรี่และแม่เหล็กไฟฟ้าตามวิธีการที่วัสดุเหล่านั้นตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กภายนอก พวกเขาสามารถกำหนดฟลักซ์แม่เหล็กและบังคับให้วัสดุเหล่านี้สัมผัสกับสนามแม่เหล็กภายนอกและจำแนกตามความแรงแม่เหล็ก
สุดท้าย magnetoresistance วิธีการในสนามแม่เหล็กนั้นขึ้นอยู่กับการตรวจจับความจุของวัตถุเพื่อเปลี่ยนความต้านทานไฟฟ้าเมื่อสัมผัสกับสนามแม่เหล็กภายนอก ในทำนองเดียวกันกับเทคนิคการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก anisotropic magnetoresistance (AMR) ของ ferromagnets วัสดุที่อยู่ภายใต้การดึงดูดของแม่เหล็กแสดงคุณสมบัติของแม่เหล็กแม้หลังจากลบออกไปแล้ว
AMR เกี่ยวข้องกับการตรวจจับระหว่างทิศทางของกระแสไฟฟ้าและการดึงดูดในสถานะที่มีการสะกดจิต สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อสปินของวงโคจรอิเล็กตรอนที่ประกอบเป็นวัสดุกระจายตัวในที่ที่มีเขตข้อมูลภายนอก
อิเล็กตรอนหมุนไม่ใช่อิเล็กตรอนหมุนจริง ๆ ราวกับว่ามันเป็นยอดปั่นหรือบอล แต่ค่อนข้างคุณสมบัติควอนตัมภายในและรูปแบบของโมเมนตัมเชิงมุม ความต้านทานไฟฟ้ามีค่าสูงสุดเมื่อกระแสขนานกับสนามแม่เหล็กภายนอกเพื่อให้สามารถคำนวณสนามได้อย่างเหมาะสม
ปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้า
เซ็นเซอร์ mangetoresistive ในสนามแม่เหล็กนั้นอาศัยกฎพื้นฐานของฟิสิกส์ในการกำหนดสนามแม่เหล็ก เซ็นเซอร์เหล่านี้แสดงให้เห็นถึงผลกระทบของฮอลล์ในที่ที่มีสนามแม่เหล็กเช่นอิเล็กตรอนที่อยู่ภายในจะไหลเป็นรูปโค้ง ยิ่งรัศมีของวงกลมหมุนวนมากขึ้นเท่าไหร่เส้นทางที่มีประจุก็จะยิ่งใหญ่ขึ้นและสนามแม่เหล็กก็จะยิ่งแรงขึ้น
ด้วยการเคลื่อนที่ของอาร์คที่เพิ่มขึ้นทางเดินก็มีความต้านทานมากขึ้นเช่นกันดังนั้นอุปกรณ์สามารถคำนวณได้ว่าสนามแม่เหล็กประเภทใดที่จะใช้แรงนี้กับอนุภาคที่มีประจุ
การคำนวณเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของพาหะหรืออิเล็กตรอนอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์ได้เร็วแค่ไหนเมื่อมีสนามแม่เหล็กภายนอก ในที่ที่มีเอฟเฟกต์ฮอลล์บางครั้งมันเรียกว่า ฮอลล์คล่องตัว
ในทางคณิตศาสตร์แรงแม่เหล็ก F เท่ากับประจุของอนุภาค Q เวลาผลคูณของความเร็วอนุภาค โวลต์ และสนามแม่เหล็ก B. มันใช้รูปแบบของ สมการ Lorentz สำหรับแม่เหล็ก F = q (v x B) ซึ่งใน x เป็นผลิตภัณฑ์ครอส
••• Syed Hussain Atherหากคุณต้องการหาครอสโปรดัคระหว่างเวกเตอร์สองตัว และ ขคุณสามารถหาว่าเวกเตอร์ที่ได้ ค มีขนาดของสี่เหลี่ยมด้านขนานที่ทั้งสองเวกเตอร์ขยาย ผลคูณของครอสโปรดัคที่เกิดขึ้นนั้นอยู่ในทิศทางตั้งฉากกับ และ ข ที่กำหนดโดยกฎมือขวา
กฎมือขวาบอกคุณว่าถ้าคุณวางนิ้วชี้ขวาของคุณไปในทิศทางของเวกเตอร์ b และนิ้วกลางขวาของคุณในทิศทางของเวกเตอร์ a เวกเตอร์ที่ได้ ค ไปในทิศทางของนิ้วหัวแม่มือขวาของคุณ ในแผนภาพด้านบนแสดงความสัมพันธ์ระหว่างทิศทางเวกเตอร์สามตัวนี้
สมการ Lorentz บอกคุณว่าด้วยสนามไฟฟ้าที่มากขึ้นจะมีแรงไฟฟ้ามากขึ้นในการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุในสนาม นอกจากนี้คุณยังสามารถเกี่ยวข้องกับแรงแม่เหล็กเวกเตอร์สามตัว, สนามแม่เหล็กและความเร็วของอนุภาคที่มีประจุผ่านกฎมือขวาโดยเฉพาะสำหรับเวกเตอร์เหล่านี้
ในแผนภาพด้านบนปริมาณทั้งสามนี้สอดคล้องกับวิธีธรรมชาติที่มือขวาชี้ไปในทิศทางเหล่านี้ แต่ละดัชนีและนิ้วกลางและนิ้วหัวแม่มือสอดคล้องกับหนึ่งในความสัมพันธ์
ปรากฏการณ์ Magnetometer อื่น ๆ
Magnetometers ยังสามารถตรวจจับได้ magnetostrictionเป็นการผสมผสานระหว่างสองเอฟเฟกต์ ที่แรกก็คือ จูลเอฟเฟกต์วิธีที่สนามแม่เหล็กทำให้เกิดการหดตัวหรือการขยายตัวของวัสดุทางกายภาพ ประการที่สองคือ ผล Villariวัสดุที่อยู่ภายใต้แรงกดดันจากภายนอกมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรในการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็ก
การใช้วัสดุแมกนีโตสตริกทีฟที่แสดงปรากฏการณ์เหล่านี้ในรูปแบบที่ง่ายต่อการวัดและพึ่งพากันและกันแมกนีโตมิเตอร์สามารถวัดสนามแม่เหล็กได้แม่นยำและแม่นยำยิ่งขึ้น เนื่องจากผลกระทบของสนามแม่เหล็กมีขนาดเล็กมากอุปกรณ์จึงต้องทำการวัดทางอ้อม
การวัด Magnetometer ที่แม่นยำ
เซ็นเซอร์ Fluxgate ให้ magnetometer แม่นยำยิ่งขึ้นในการตรวจจับสนามแม่เหล็ก อุปกรณ์เหล่านี้ประกอบด้วยขดลวดโลหะสองแกนที่มีแกนเฟอร์โรเดียมซึ่งวัสดุที่หลังจากถูกทำให้เป็นแม่เหล็กแล้วจะแสดงคุณสมบัติของแม่เหล็กแม้หลังจากนำไปเป็นแม่เหล็กแล้ว
เมื่อคุณกำหนดฟลักซ์แม่เหล็กหรือสนามแม่เหล็กที่เป็นผลมาจากแกนกลางคุณสามารถทราบได้ว่ากระแสใดหรือมีการเปลี่ยนแปลงอะไรในกระแสที่อาจเกิดขึ้น แกนทั้งสองจะถูกวางไว้ข้าง ๆ กันเพื่อที่ว่าสายไฟจะพันรอบแกนกระจกแกนหนึ่งและอีกแกนหนึ่ง
เมื่อคุณกระแสไฟฟ้าสลับหนึ่งที่กลับทิศทางในช่วงปกติคุณจะสร้างสนามแม่เหล็กในแกนทั้งสอง สนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำควรต่อต้านซึ่งกันและกันและยกเลิกซึ่งกันและกันถ้าไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก หากมีหนึ่งภายนอกแกนแม่เหล็กจะอิ่มตัวด้วยตนเองเพื่อตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กนี้ ด้วยการพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กหรือฟลักซ์คุณสามารถกำหนดสถานะของสนามแม่เหล็กภายนอกเหล่านี้ได้
Magnetometer ในทางปฏิบัติ
การใช้งานของสนามแม่เหล็กใด ๆ ในสาขาวิชาที่เกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็ก ในโรงงานผลิตและอุปกรณ์อัตโนมัติที่สร้างและทำงานกับอุปกรณ์โลหะแมกนิโทมิเตอร์สามารถทำให้มั่นใจได้ว่าเครื่องจักรรักษาทิศทางที่เหมาะสมเมื่อทำการกระทำเช่นเจาะผ่านโลหะหรือวัสดุตัดให้เป็นรูปร่าง
ห้องปฏิบัติการที่สร้างและดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุตัวอย่างจำเป็นต้องเข้าใจว่ากองกำลังทางกายภาพต่างๆเช่นเอฟเฟกต์ฮอลล์เกิดขึ้นได้อย่างไรเมื่อสัมผัสกับสนามแม่เหล็ก พวกเขาสามารถจำแนก ช่วงเวลาแม่เหล็ก เป็น diamagnetic, paramagnetic, ferromagnetic หรือ antiferromagnetic
วัสดุแม่เหล็ก มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่หรือไม่กี่คู่ดังนั้นอย่าแสดงพฤติกรรมแม่เหล็กมาก paramagnetic วัตถุที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่เพื่อให้เขตข้อมูลไหลได้อย่างอิสระวัสดุ ferromagnetic แสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็กในที่ที่มีเขตข้อมูลภายนอกโดยที่อิเล็กตรอนหมุนขนานกับโดเมนของแม่เหล็กและ antiferromagnetic วัสดุที่มีอิเล็กตรอนหมุนตรงกันข้ามกับพวกเขา
นักโบราณคดีนักธรณีวิทยาและนักวิจัยในพื้นที่ที่คล้ายกันสามารถตรวจจับคุณสมบัติของวัสดุในฟิสิกส์และเคมีโดยการหาวิธีที่สนามแม่เหล็กสามารถใช้ในการกำหนดคุณสมบัติแม่เหล็กอื่น ๆ หรือวิธีการค้นหาวัตถุที่อยู่ลึกลงไปใต้พื้นผิวโลก พวกเขาสามารถปล่อยให้นักวิจัยกำหนดที่ตั้งของแหล่งถ่านหินและทำแผนที่การตกแต่งภายในของ Earths ผู้เชี่ยวชาญด้านการทหารพบว่าอุปกรณ์เหล่านี้มีประโยชน์ในการค้นหาตำแหน่งเรือดำน้ำและนักดาราศาสตร์พบว่าอุปกรณ์เหล่านี้มีประโยชน์สำหรับการสำรวจว่าวัตถุในอวกาศได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กโลกอย่างไร