Магнитометр

Поделись знанием:
Перейти к: навигация, поиск

Магнито́метр — (от гр. μαγνητό — магнит + гр. μετρεω измеряю), прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств материалов. В зависимости от измеряемой 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.

В зависимости от природы измеряемой величины магнитометры градуируются в тех или иных единицах (напряжённости магнитного поля, единицах магнитной индукции, направления магнитного поля и др.).

Магнитометры применяются в:





Физические принципы работы магнитометров

Магнитостатические магнитометры

Основаны на измерении механических моментов, действующих на чувствительный элемент прибора (например, небольшой постоянный магнит) в измеряемом поле. При воздействии внешнего поля, не совпадающего с направлением поля этого постоянного магнита, чувствительный магнит испытывает поворачивающий момент, зависящий от напряжённости внешнего измеряемого поля и ориентации поля измерительного магнита и внешнего поля. Измерительный магнит подвешен на упругой для кручения подвеске, по степени закручивания, с учётом ориентации прибора, определяют внешнее поле <math> H</math>.

Момент на чувствительном (индикаторном) магните выражается векторным произведением:

<math>\vec{J} = [\vec{M}, \vec{H}]</math>,

где <math>M</math> — магнитный момент индикаторного магнита.

Возникающий механический момент <math>J</math> в магнитометрах различной конструкции уравновешивается разными способами:

  • моментом кручения упругой подвески (обычно в чувствительных магнитометрах изготовленных из кварцевой нити (магнитометры и универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью до ~1 нТ);
  • моментом в рычажной системе, уравновешиваемой силой тяжести (магнитные весы с чувствительностью ~<math> 10^{-15}</math> нТ);
  • моментом, действующим на вспомогательный эталонный постоянный магнит, установленный в нужном положении (оси индикаторного и вспомогательного магнитов в положении равновесия взаимно перпендикулярны). В упругой подвеске индикаторные магниты имеют собственную частоту вращательных колебаний, зависящую от упругости подвески, напряженности внешнего поля. При этом измеряют периоды этих колебаний, что позволяет определить напряжённость магнитного поля (абсолютный метод Гаусса).

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

Индукционные магнитометры

Основаны на явлении электромагнитной индукции — возникновении эдс в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь её контур магнитного потока <math>\Theta</math>. 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 ~ <math>10^{-4}</math> вб/деление); широко применяются магнитоэлектрические веберметры с G ~ <math>10^{-6}</math> вб/деление, фотоэлектрические веберметры с G ~ <math>10^{-8}</math> 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 ~ <math>10^{-8}</math> тл. У наиболее чувствительных вибрационных магнитометров G ~ 0,1—1 нТ.
  • 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 нТ.

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

  • Вибрационный магнитометр
  • Флюксметр
  • Феррозондовый магнитометр.

Квантовые магнитометры

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 <math>\Omega</math> прецессии магнитных моментов микрочастиц от напряжённости <math>H_{i}</math> измеряемого поля (<math>\Omega=\gamma\times H_{i}</math>, где <math>\gamma</math> — 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 <math>10^{-5}</math>-<math>10^{-7}</math> нТ). Значительно меньшую чувствительность (G ~ <math>10^{-5}</math> Т) имеют квантовые магнитометры для измерения сильных магнитных полей.

Чувствительность квантового магнитометра <math>G</math> определяется следующим соотношением[2]:

<math>G = k\Gamma/{\gamma S_n}</math>

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

Сравнение магнитометров

Таблица 1, Ширина линии магнитного резонанса в различных магнитометрах
Тип магнитометра Естественная ширина резонансной линии, <math>\Gamma</math>, нТ (В поле ~50 мкТ)
Цезий <math>20</math>
Гелий 3 <math>2.74x10^{-5}</math>
Гелий 4 <math>70</math>
Оверхаузер <math>4</math>
Калий <math>0.1-10</math>
Протон <math>15</math>

Применение магнитометров в медицине

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

Калибровка магнитометров

Некоторые факты развития магнитометрии в России

Русский учёный М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компасаК:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)[источник не указан 4994 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.К:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)[источник не указан 4994 дня]

См. также

Напишите отзыв о статье "Магнитометр"

Литература

Ссылки

  • [tf.nist.gov/timefreq/ofm/smallclock/CSAM.html NIST chip-scale atomic magnitometer project]. [www.webcitation.org/66A5M7Sc6 Архивировано из первоисточника 14 марта 2012].
  • Магнитометр — статья из Большой советской энциклопедии.

Примечания

  1. ↑ [www.femto.com.ua/articles/part_1/2103.html Магнитометр] — статья из Физической энциклопедии
  2. ↑ [www.gemsys.ca 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.

Отрывок, характеризующий Магнитометр

Накануне своего отъезда из Петербурга, князь Андрей привез с собой Пьера, со времени бала ни разу не бывшего у Ростовых. Пьер казался растерянным и смущенным. Он разговаривал с матерью. Наташа села с Соней у шахматного столика, приглашая этим к себе князя Андрея. Он подошел к ним.
– Вы ведь давно знаете Безухого? – спросил он. – Вы любите его?
– Да, он славный, но смешной очень.
И она, как всегда говоря о Пьере, стала рассказывать анекдоты о его рассеянности, анекдоты, которые даже выдумывали на него.
– Вы знаете, я поверил ему нашу тайну, – сказал князь Андрей. – Я знаю его с детства. Это золотое сердце. Я вас прошу, Натали, – сказал он вдруг серьезно; – я уеду, Бог знает, что может случиться. Вы можете разлю… Ну, знаю, что я не должен говорить об этом. Одно, – чтобы ни случилось с вами, когда меня не будет…
– Что ж случится?…
– Какое бы горе ни было, – продолжал князь Андрей, – я вас прошу, m lle Sophie, что бы ни случилось, обратитесь к нему одному за советом и помощью. Это самый рассеянный и смешной человек, но самое золотое сердце.
Ни отец и мать, ни Соня, ни сам князь Андрей не могли предвидеть того, как подействует на Наташу расставанье с ее женихом. Красная и взволнованная, с сухими глазами, она ходила этот день по дому, занимаясь самыми ничтожными делами, как будто не понимая того, что ожидает ее. Она не плакала и в ту минуту, как он, прощаясь, последний раз поцеловал ее руку. – Не уезжайте! – только проговорила она ему таким голосом, который заставил его задуматься о том, не нужно ли ему действительно остаться и который он долго помнил после этого. Когда он уехал, она тоже не плакала; но несколько дней она не плача сидела в своей комнате, не интересовалась ничем и только говорила иногда: – Ах, зачем он уехал!
Но через две недели после его отъезда, она так же неожиданно для окружающих ее, очнулась от своей нравственной болезни, стала такая же как прежде, но только с измененной нравственной физиогномией, как дети с другим лицом встают с постели после продолжительной болезни.


Здоровье и характер князя Николая Андреича Болконского, в этот последний год после отъезда сына, очень ослабели. Он сделался еще более раздражителен, чем прежде, и все вспышки его беспричинного гнева большей частью обрушивались на княжне Марье. Он как будто старательно изыскивал все больные места ее, чтобы как можно жесточе нравственно мучить ее. У княжны Марьи были две страсти и потому две радости: племянник Николушка и религия, и обе были любимыми темами нападений и насмешек князя. О чем бы ни заговорили, он сводил разговор на суеверия старых девок или на баловство и порчу детей. – «Тебе хочется его (Николеньку) сделать такой же старой девкой, как ты сама; напрасно: князю Андрею нужно сына, а не девку», говорил он. Или, обращаясь к mademoiselle Bourime, он спрашивал ее при княжне Марье, как ей нравятся наши попы и образа, и шутил…
Он беспрестанно больно оскорблял княжну Марью, но дочь даже не делала усилий над собой, чтобы прощать его. Разве мог он быть виноват перед нею, и разве мог отец ее, который, она всё таки знала это, любил ее, быть несправедливым? Да и что такое справедливость? Княжна никогда не думала об этом гордом слове: «справедливость». Все сложные законы человечества сосредоточивались для нее в одном простом и ясном законе – в законе любви и самоотвержения, преподанном нам Тем, Который с любовью страдал за человечество, когда сам он – Бог. Что ей было за дело до справедливости или несправедливости других людей? Ей надо было самой страдать и любить, и это она делала.
Зимой в Лысые Горы приезжал князь Андрей, был весел, кроток и нежен, каким его давно не видала княжна Марья. Она предчувствовала, что с ним что то случилось, но он не сказал ничего княжне Марье о своей любви. Перед отъездом князь Андрей долго беседовал о чем то с отцом и княжна Марья заметила, что перед отъездом оба были недовольны друг другом.
Вскоре после отъезда князя Андрея, княжна Марья писала из Лысых Гор в Петербург своему другу Жюли Карагиной, которую княжна Марья мечтала, как мечтают всегда девушки, выдать за своего брата, и которая в это время была в трауре по случаю смерти своего брата, убитого в Турции.
«Горести, видно, общий удел наш, милый и нежный друг Julieie».
«Ваша потеря так ужасна, что я иначе не могу себе объяснить ее, как особенную милость Бога, Который хочет испытать – любя вас – вас и вашу превосходную мать. Ах, мой друг, религия, и только одна религия, может нас, уже не говорю утешить, но избавить от отчаяния; одна религия может объяснить нам то, чего без ее помощи не может понять человек: для чего, зачем существа добрые, возвышенные, умеющие находить счастие в жизни, никому не только не вредящие, но необходимые для счастия других – призываются к Богу, а остаются жить злые, бесполезные, вредные, или такие, которые в тягость себе и другим. Первая смерть, которую я видела и которую никогда не забуду – смерть моей милой невестки, произвела на меня такое впечатление. Точно так же как вы спрашиваете судьбу, для чего было умирать вашему прекрасному брату, точно так же спрашивала я, для чего было умирать этому ангелу Лизе, которая не только не сделала какого нибудь зла человеку, но никогда кроме добрых мыслей не имела в своей душе. И что ж, мой друг, вот прошло с тех пор пять лет, и я, с своим ничтожным умом, уже начинаю ясно понимать, для чего ей нужно было умереть, и каким образом эта смерть была только выражением бесконечной благости Творца, все действия Которого, хотя мы их большею частью не понимаем, суть только проявления Его бесконечной любви к Своему творению. Может быть, я часто думаю, она была слишком ангельски невинна для того, чтобы иметь силу перенести все обязанности матери. Она была безупречна, как молодая жена; может быть, она не могла бы быть такою матерью. Теперь, мало того, что она оставила нам, и в особенности князю Андрею, самое чистое сожаление и воспоминание, она там вероятно получит то место, которого я не смею надеяться для себя. Но, не говоря уже о ней одной, эта ранняя и страшная смерть имела самое благотворное влияние, несмотря на всю печаль, на меня и на брата. Тогда, в минуту потери, эти мысли не могли притти мне; тогда я с ужасом отогнала бы их, но теперь это так ясно и несомненно. Пишу всё это вам, мой друг, только для того, чтобы убедить вас в евангельской истине, сделавшейся для меня жизненным правилом: ни один волос с головы не упадет без Его воли. А воля Его руководствуется только одною беспредельною любовью к нам, и потому всё, что ни случается с нами, всё для нашего блага. Вы спрашиваете, проведем ли мы следующую зиму в Москве? Несмотря на всё желание вас видеть, не думаю и не желаю этого. И вы удивитесь, что причиною тому Буонапарте. И вот почему: здоровье отца моего заметно слабеет: он не может переносить противоречий и делается раздражителен. Раздражительность эта, как вы знаете, обращена преимущественно на политические дела. Он не может перенести мысли о том, что Буонапарте ведет дело как с равными, со всеми государями Европы и в особенности с нашим, внуком Великой Екатерины! Как вы знаете, я совершенно равнодушна к политическим делам, но из слов моего отца и разговоров его с Михаилом Ивановичем, я знаю всё, что делается в мире, и в особенности все почести, воздаваемые Буонапарте, которого, как кажется, еще только в Лысых Горах на всем земном шаре не признают ни великим человеком, ни еще менее французским императором. И мой отец не может переносить этого. Мне кажется, что мой отец, преимущественно вследствие своего взгляда на политические дела и предвидя столкновения, которые у него будут, вследствие его манеры, не стесняясь ни с кем, высказывать свои мнения, неохотно говорит о поездке в Москву. Всё, что он выиграет от лечения, он потеряет вследствие споров о Буонапарте, которые неминуемы. Во всяком случае это решится очень скоро. Семейная жизнь наша идет по старому, за исключением присутствия брата Андрея. Он, как я уже писала вам, очень изменился последнее время. После его горя, он теперь только, в нынешнем году, совершенно нравственно ожил. Он стал таким, каким я его знала ребенком: добрым, нежным, с тем золотым сердцем, которому я не знаю равного. Он понял, как мне кажется, что жизнь для него не кончена. Но вместе с этой нравственной переменой, он физически очень ослабел. Он стал худее чем прежде, нервнее. Я боюсь за него и рада, что он предпринял эту поездку за границу, которую доктора уже давно предписывали ему. Я надеюсь, что это поправит его. Вы мне пишете, что в Петербурге о нем говорят, как об одном из самых деятельных, образованных и умных молодых людей. Простите за самолюбие родства – я никогда в этом не сомневалась. Нельзя счесть добро, которое он здесь сделал всем, начиная с своих мужиков и до дворян. Приехав в Петербург, он взял только то, что ему следовало. Удивляюсь, каким образом вообще доходят слухи из Петербурга в Москву и особенно такие неверные, как тот, о котором вы мне пишете, – слух о мнимой женитьбе брата на маленькой Ростовой. Я не думаю, чтобы Андрей когда нибудь женился на ком бы то ни было и в особенности на ней. И вот почему: во первых я знаю, что хотя он и редко говорит о покойной жене, но печаль этой потери слишком глубоко вкоренилась в его сердце, чтобы когда нибудь он решился дать ей преемницу и мачеху нашему маленькому ангелу. Во вторых потому, что, сколько я знаю, эта девушка не из того разряда женщин, которые могут нравиться князю Андрею. Не думаю, чтобы князь Андрей выбрал ее своею женою, и откровенно скажу: я не желаю этого. Но я заболталась, кончаю свой второй листок. Прощайте, мой милый друг; да сохранит вас Бог под Своим святым и могучим покровом. Моя милая подруга, mademoiselle Bourienne, целует вас.
Мари».


В середине лета, княжна Марья получила неожиданное письмо от князя Андрея из Швейцарии, в котором он сообщал ей странную и неожиданную новость. Князь Андрей объявлял о своей помолвке с Ростовой. Всё письмо его дышало любовной восторженностью к своей невесте и нежной дружбой и доверием к сестре. Он писал, что никогда не любил так, как любит теперь, и что теперь только понял и узнал жизнь; он просил сестру простить его за то, что в свой приезд в Лысые Горы он ничего не сказал ей об этом решении, хотя и говорил об этом с отцом. Он не сказал ей этого потому, что княжна Марья стала бы просить отца дать свое согласие, и не достигнув бы цели, раздражила бы отца, и на себе бы понесла всю тяжесть его неудовольствия. Впрочем, писал он, тогда еще дело не было так окончательно решено, как теперь. «Тогда отец назначил мне срок, год, и вот уже шесть месяцев, половина прошло из назначенного срока, и я остаюсь более, чем когда нибудь тверд в своем решении. Ежели бы доктора не задерживали меня здесь, на водах, я бы сам был в России, но теперь возвращение мое я должен отложить еще на три месяца. Ты знаешь меня и мои отношения с отцом. Мне ничего от него не нужно, я был и буду всегда независим, но сделать противное его воле, заслужить его гнев, когда может быть так недолго осталось ему быть с нами, разрушило бы наполовину мое счастие. Я пишу теперь ему письмо о том же и прошу тебя, выбрав добрую минуту, передать ему письмо и известить меня о том, как он смотрит на всё это и есть ли надежда на то, чтобы он согласился сократить срок на три месяца».


Источник — «http://wiki-org.ru/wiki/index.php?title=Магнитометр&oldid=79470047»