תוֹכֶן
- חיישן המגנטומטר
- שימושים במגנטומטר
- מגנטומטרים בחומרים
- פיזיקה מאחורי המגנטומטר
- תופעות מגנטומטר
- תופעות מגנטומטר אחרות
- מדידות מגנטומטר מדויקות
- מגנטומטר בפועל
מגנטומטרים(לפעמים כתוב "מד מגנטו") מודדים חוזק וכיוון של שדה מגנטיניתנת בדרך כלל ביחידות טסלס. כאשר חפצים מתכתיים באים במגע עם השדה המגנטי של כדור הארץ או מתקרבים אליו, הם מציגים תכונות מגנטיות.
עבור חומרים עם הרכב כזה של מתכות וסגסוגות מתכתיות המאפשרות לאלקטרונים ולמטען לזרום בחופשיות, שדות מגנטיים מוחדרים. מצפן הוא דוגמה טובה לאובייקט מתכתי המגיע לאינטראקציות עם השדה המגנטי של כדור הארץ כך שהמחט מצביעה על הצפון המגנטי.
מגנטומטרים מודדים גם את צפיפות שטף מגנטי, כמות השטף המגנטי על שטח מסוים. אתה יכול לחשוב על שטף כעל רשת שמאפשרת לזרום במים אם אתה זווית לכיוון של זרם נהרות. השטף מודד כמה מהשדה החשמלי זורם דרכו בדרך זו.
אתה יכול לקבוע את השדה המגנטי מהצורה של ערך זה אם אתה מודד אותו על משטח מישורי ספציפי כגון גיליון מלבני או מארז גלילי. זה מאפשר לך להבין כיצד שדה מגנטי המפעיל כוח על עצם או חלקיק טעון נע תלוי בזווית שבין האזור לשדה.
חיישן המגנטומטר
החיישן של מד מגנטו מגלה את צפיפות השטף המגנטי שניתן להמיר לשדה מגנטי. חוקרים משתמשים במגנטומטרים כדי לאתר משקעי ברזל בכדור הארץ על ידי מדידת השדה המגנטי המוענק על ידי מבני סלע שונים. מדענים יכולים גם להשתמש במגנטומטרים כדי לקבוע את מיקומם של ספינות טרופות וחפצים אחרים מתחת לים או מתחת לאדמה.
מגנטומטר יכול להיות וקטורי או סקלרי. מגנטומטרים וקטוריים לזהות צפיפות שטף בכיוון ספציפי בחלל, תלוי איך אתה מכוון אותו. מגנטומטר סקלרילעומת זאת, מגלים רק את גודל או חוזק של וקטור השטף, ולא את מיקום הזווית בה הוא נמדד.
שימושים במגנטומטר
טלפונים חכמים וטלפונים סלולריים אחרים משתמשים במגנטומטרים מובנים כדי למדוד שדות מגנטיים ולקבוע איזו דרך היא צפונית דרך הזרם מהטלפון עצמו. בדרך כלל סמארטפונים מתוכננים במטרה להיות רב ממדית עבור היישומים והתכונות שהם יכולים לתמוך בהם. טלפונים חכמים משתמשים גם בפלט ממד תאוצה וטלפון מיחידת GPS כדי לקבוע כיווני מיקום ומצפן.
מדי תאוצה אלה הם מכשירים מובנים שיכולים לקבוע את המיקום וההתמצאות של טלפונים חכמים כמו הכיוון אליו אתה מצביע. אלה משמשים ביישומים מבוססי כושר ושירותי GPS על ידי מדידת כמה מהר הטלפון שלך מאיץ. הם פועלים באמצעות חיישנים של מבני קריסטל מיקרוסקופיים שיכולים לאתר שינויים מדויקים ורגעים בתאוצה על ידי חישוב הכוח המופעל עליהם.
המהנדס הכימי ביל האמאק אמר כי המהנדסים יוצרים את מדי האצה אלה מסיליקון כך שהם נשארים בטוחים ויציבים בסמארטפונים בזמן שהם עוברים דירה. לשבבים אלה יש חלק המתנדנד, או נע קדימה ואחורה, שמגלה תנועות סיסמיות. הטלפון הסלולרי יכול לזהות את התנועה המדויקת של גיליון סיליקון במכשיר זה כדי לקבוע תאוצה.
מגנטומטרים בחומרים
מגנטומטר יכול להשתנות במידה רבה ביחס לאופן פעולתו. לדוגמא הפשוטה של מצפן, מחט המצפן מיישרת קו עם צפון השדה המגנטי של כדור הארץ כך שכשזו במנוחה, היא בשיווי משקל. משמעות הדבר היא כי סכום הכוחות הפועלים עליו הוא אפס ומשקל הכבידה של המצפן עצמו מבטל עם הכוח המגנטי מכדור הארץ שפועל עליו. למרות שהדוגמה פשוטה, היא ממחישה את המאפיין של מגנטיות המאפשרת למגנטומטרים אחרים לעבוד.
מצפנים אלקטרוניים יכולים לקבוע לאיזה כיוון הוא הצפון המגנטי באמצעות תופעות כמו אפקט הול, אינדוקציה מגנטית, או התנגדות.
פיזיקה מאחורי המגנטומטר
אפקט הול פירושו מוליכים בעלי זרמים חשמליים שזורמים דרכם יוצרים מתח בניצב לשדה וכיוון הזרם. פירוש הדבר שמגנטומטרים יכולים להשתמש בחומר מוליך למחצה כדי להעביר זרם ולקבוע אם שדה מגנטי נמצא בקרבת מקום.הוא מודד את אופן המעוות או הזווית של הזרם בגלל השדה המגנטי, והמתח בו זה מתרחש הוא מתח הול, שצריכה להיות פרופורציונלית לשדה המגנטי.
אינדוקציה מגנטית לעומת זאת, שיטות מודדות עד כמה חומר ממוגנט הוא או הופך לחשיפה לשדה מגנטי חיצוני. זה כרוך ביצירה עקומות דמגנטיזציה, הידועים גם כעקומות B-H או עקומות היסטריה, המודדים את השטף המגנטי ואת כוח הכוח המגנטי דרך חומר כאשר הם נחשפים לשדה מגנטי.
עקומות אלה מאפשרות למדענים ומהנדסים לסווג חומרים המרכיבים מכשירים כמו סוללות ואלקטרומגנטים לפי האופן שבו חומרים אלה מגיבים לשדה מגנטי חיצוני. הם יכולים לקבוע מה שטף מגנטי וכוח שחומרים אלה חווים כאשר הם נחשפים לשדות החיצוניים ולסווג אותם לפי חוזק מגנטי.
סוף סוף, התנגדות מגנטית שיטות במגנטומטרים מסתמכים על איתור יכולת של אובייקטים לשנות התנגדות חשמלית כאשר הם נחשפים לשדה מגנטי חיצוני. בדומה לטכניקות הפעלה מגנטית, מגנטומטרים מנצלים את ה- התנגדות מגנטית anisotropic (AMR) של פרומגנטים, חומרים אשר לאחר הכפפה למגנט, מראים תכונות מגנטיות גם לאחר שהמגנטציה הוסרה.
AMR כולל איתור בין כיוון הזרם החשמלי למגנטציה בנוכחות המגנטציה. זה קורה כאשר הספינים של האורביטלים האלקטרוניים המרכיבים את החומר מפיצים את עצמם מחדש בנוכחות שדה חיצוני.
סיבוב האלקטרונים אינו כיצד אלקטרון מסתובב כאילו מדובר בראש או כדור מסתובב, אלא הוא תכונה קוונטית מהותית וצורה של תנופה זוויתית. להתנגדות החשמלית ערך מקסימלי כאשר הזרם מקביל לשדה מגנטי חיצוני כך שניתן לחשב את השדה באופן מתאים.
תופעות מגנטומטר
ה חיישנים מנגורטוריסטיים במגנטומטרים מסתמכים על חוקים יסודיים של הפיזיקה בקביעת שדה מגנטי. חיישנים אלה מראים את אפקט ההיכל בנוכחות שדות מגנטיים כך שהאלקטרונים בתוכם זורמים בצורה קשת. ככל שהרדיוס של תנועה סיבובית וסיבוב זו גדול יותר, כך מסלול החלקיקים הטעונים גדול יותר והשדה המגנטי חזק יותר.
עם הגדלת תנועות הקשת, לנתיב יש התנגדות רבה יותר כך שהמכשיר יכול לחשב איזה סוג של שדה מגנטי יפעיל כוח זה על החלקיק הטעון.
חישובים אלה כוללים את הניידות של המוביל או האלקטרונים, באיזו מהירות האלקטרון יכול לנוע דרך מתכת או מוליך למחצה בנוכחות שדה מגנטי חיצוני. בנוכחות אפקט ההיכל, נקרא לפעמים זה ניידות האולם.
מבחינה מתמטית, הכוח המגנטי ו שווה למטען החלקיק ש הזמן את המוצר הצלב של מהירות החלקיקים v ושדה מגנטי ב. זה לובש צורה של משוואת לורנץ למגנטיות F = q (v x B) בו איקס הוא המוצר הצלב.
••• סייד חוסיין אתראם ברצונך לקבוע את המוצר הצלב בין שני ווקטורים א ו ב, אתה יכול להבין שהווקטור שנוצר ג יש את גודל המקבילית ששני הווקטורים משתרעים עליהם. וקטור התוצרת הצולבת שהתקבל הוא בכיוון הניצב ל א ו ב ניתן על ידי הכלל הימני.
הכלל הימני אומר לך שאם אתה מציב את אצבעך הימנית בכיוון של וקטור b והאצבע האמצעית הימנית שלך בכיוון של וקטור a, הווקטור שנוצר ג הולך לכיוון האגודל הימני. בתרשים לעיל, הקשר בין שלושת כיווני הווקטורים הללו מוצג.
משוואת לורנץ אומרת לכם שעם שדה חשמלי גדול יותר יש יותר כוח חשמלי המופעל על חלקיק טעון נע בשדה. אתה יכול גם לקשר בין שלושה וקטורים כוח מגנטי, שדה מגנטי ומהירות החלקיק הטעון באמצעות כלל ימני במיוחד עבור וקטורים אלה.
בתרשים לעיל שלושת הכמויות הללו תואמות את הדרך הטבעית שיד ימיך מצביעת לכיוונים אלה. כל אינדקס ואצבע ואגודל אמצעיים תואמים אחד מהקשרים.
תופעות מגנטומטר אחרות
מגנטים יכולים גם לזהות מגנטוזיציה, שילוב של שני אפקטים. הראשון הוא אפקט ג'ול, הדרך בה שדה מגנטי גורם להתכווצות או התרחבות של חומר פיזי. השני הוא אפקט וילארי, כיצד החומר הנתון ללחץ חיצוני משתנה באופן שהוא מגיב לשדות מגנטיים.
באמצעות חומר מגנטוסטרקטיבי המציג תופעות אלה בדרכים שקל למדוד ותלוי זה בזה, מגנטומטרים יכולים לבצע מדידות מדויקות ומדויקות עוד יותר של השדה המגנטי. מכיוון שההשפעה המגנטוסטרקטיבית קטנה מאוד, מכשירים צריכים למדוד אותה בעקיפין.
מדידות מגנטומטר מדויקות
חיישני פלוקסגייט תנו למגנטומטר דיוק רב יותר בזיהוי שדות מגנטיים. מכשירים אלה מורכבים משני סלילי מתכת עם ליבות פרומגנטיות, חומרים אשר לאחר שהיו נתונים למגנטציה, מראים תכונות מגנטיות גם לאחר הוצאת המגנטציה.
כשאתה קובע את השטף המגנטי או השדה המגנטי הנובע מהליבה, אתה יכול להבין איזה זרם או שינוי בזרם עשויים לגרום לו. שתי הליבות ממוקמות אחת ליד השנייה כך שהאופן בו חוטים את החוטים סביב ליבה אחת מראות את זו השנייה.
כאשר יש לך זרם חילופין, כזה ההופך את כיוונו במרווחי זמן קבועים, אתה מייצר שדה מגנטי בשתי הליבות. השדות המגנטיים המושרים צריכים להתנגד זה לזה ולבטל זה את זה אם אין שדה מגנטי חיצוני. אם ישנו חיצוני, הליבה המגנטית תחוות את עצמה בתגובה לשדה חיצוני זה. על ידי קביעת השינוי בשדה המגנטי או השטף, אתה יכול לקבוע את נוכחותם של שדות מגנטיים חיצוניים אלה.
מגנטומטר בפועל
היישומים של כל טווח מגנטומטר על פני תחומים בהם שדה מגנטי רלוונטי. בייצור מפעלים והתקנים אוטומטיים היוצרים ופועלים על ציוד מתכתי, מגנטומטר יכול להבטיח כי מכונות ישמרו על כיוון מתאים כאשר הם מבצעים פעולות כמו קידוח באמצעות מתכות או חיתוך חומרים לכושר.
מעבדות שיוצרות ומבצעות מחקר על חומרים מדגמים צריכות להבין כיצד כוחות פיזיים שונים כמו אפקט הול נכנסים לפעולה כאשר הם נחשפים לשדות מגנטיים. הם יכולים לסווג רגעים מגנטיים כמו דיאמנטית, פרמגנטית, פרומגנטית או אנטי-פרומגנטית.
חומרים דיאמגנטיים אין אלקטרונים חסרי זיכרון או מעטים אז אין להם התנהגות מגנטית רבה, פרמגנטית לאלה יש אלקטרונים שאינם מותאמים כדי לאפשר לשדות לזרום בחופשיות, חומר פרומגנטי מראה תכונות מגנטיות בנוכחות שדה חיצוני כשסיבובי האלקטרונים מקבילים לתחומים המגנטיים, אנטי-פרומגנטי לחומרים יש ספינים אלקטרוניים אנטי-פראללים אליהם.
ארכיאולוגים, גיאולוגים וחוקרים באזורים דומים יכולים לאתר תכונות של חומרים בפיזיקה וכימיה על ידי דרך להבין כיצד ניתן להשתמש בשדה המגנטי לקביעת תכונות מגנטיות אחרות או כיצד לאתר עצמים מתחת לפני השטח של כדור הארץ. הם יכולים לאפשר לחוקרים לקבוע את מיקום מרבצי הפחם ולמפות את פנים כדור הארץ. אנשי מקצוע צבאיים מוצאים כי מכשירים אלה מועילים לאיתור צוללות, ואסטרונומים מוצאים אותם מועילים לבחון כיצד מושפעים עצמים במרחב על ידי השדה המגנטי של כדור הארץ.