Магнитометры. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитометры - приборы для измерения модуля полного вектора магнитной индукции или его составляющих. Наряду с термином "М." употребляются термины "тесламетр" и "гауссметр" (по наименованию единицы измеряемой величины), а также термин "измеритель магнитной индукции". Место М. среди других магнитоизмерит. приборов показано на рис.

Классифицируют М. по физ. явлению или эффекту, на к-ром основано его действие, по областям применения, по условиям эксплуатации, по степени информативности (скалярные, векторные и тензорные), что находит отражение в наименовании прибора: "квантовый магнитометр", "морской буксируемый магнитометр", "трёхкомпонентный микротесламетр". Наиб. распространена классификация М. по физ. явлению, используемому в измерительных преобразователях (ИП) прибора.

Индукционные М. основаны на использовании явления электромагнитной индукции. В М. этого типа ИП осуществляет связь между индукцией магн. поля н индуцированной в контуре прибора электродвижущей силой (эдс). Осн. элементом индукц. ИП является, как правило, многовитковая катушка с ферромагн. сердечником. Сердечник концентрирует магнитный поток ,пронизывающий катушку. Изменение магн. потока в катушке осуществляется: 1) вращением (колебанием, вибрацией, перемещением) измерит. катушки в измеряемом поле. Эдс, возникающая при этом в катушке т. н. измерит. генератора, пропорциональна значению магн. индукции В_и и частоте вращения катушки. 2) Изменением площади катушки. Витки катушки охватывают грани пьезокристалла. При подаче на грани переменного электрич. напряжения кристалл деформируется, меняя площадь витков катушки. В результате в катушке возникает эдс, пропорциональная В_и и частоте колебаний граней кристалла. 3) Периодич. изменением магн. проницаемости магн. цепи ИП, что достигается вращением (перемещением) ферромагн. ротора относительно ферромагн. статора с измерит. катушками, либо изменением магнитоупругих свойств вещества сердечника. 4) Изменением магн. проницаемости материала сердечника за счёт вспомогат. магн. поля (ферромодуляционные ИП).

Рассмотренные индукц. ИП являются преобразователями активного типа. Частотный диапазон этих ИП ограничен областью постоянных и медленно меняющихся магн. полей. В особенности это ограничение относится к ИП с механич. модуляцией параметра, в к-рых частота модуляции не превышает неск. герц. Ферромодуляц. ИП (феррозонды ),имеющие гораздо более высокую частоту модуляции, используются при измерениях как постоянных, так и переменных магн. полей широкого спектра звуковых частот.

В индукц. ИП пассивного типа эдс возникает за счёт изменения измеряемой магн. индукции при неизменном положении катушки и постоянстве её параметров. Такие ИП используются только в М. для измерения переменных и импульсных магн. полей. У некоторых пассивных ИП нет ферромагн. сердечника.

Преимуществ. применение для измерения параметров магн. полей получили М. с ферромодуляц. и пассивными ИП. С их помощью проводятся наземные и подводные измерения слабых и сверхслабых магн. полей, аэроразведка полезных ископаемых, исследования магн. полей космич. пространства, неразрушающий контроль материалов. Индукц. М. с вращающейся и вибрирующей катушкой входят в состав испытательных установок, предназначенных для исследования параметров и характеристик магнитных материалов.

Квантовые М. основаны на квантовых эффектах и явлениях, возникающих при взаимодействии микрочастиц с магн. полем: ядерном магнитном резонансе (ЯМР), электронном парамагнитном резонансе (ЭПР), Зеемана эффекте, Джозефсона эффекте (см. Квантовый магнитометр, Сквид).

Широко применяются ЯМР-магнитометры двух типов:

1) на основе метода свободной прецессии ядер (протонные М.) для измерения слабых магн. полей (порядка земного);

2) на основе метода вынужденной прецессии ядер для измерения более сильных полей (0,01-2,5 Тл).

Использование в ЯМР-магнитометрах метода дина-мич. поляризации ядер (см. Ориентированные ядра, Оверхаузера эффект)позволяет увеличить быстродействие М. и уменьшить размеры ИП. Для измерения сильных и сравнительно неоднородных магн. полей применяют т. н. нутац. метод ЯМР в проточной воде.

Квантовые М. с оптической ориентацией атомов, или М. с оптич. накачкой (МОН), используются для измерения магн. индукции от 10^-14 Тл до единиц тесла при решении задач магн. разведки полезных ископаемых, в космич. исследованиях, в метрологии. В зависимости от рабочего вещества, применяемого в МОН, различают рубидиевые, цезиевые, калиевые, гелиевые М.

Рекордно высокой чувствительностью (~10^-16 Тл) обладают сквиды - сверхпроводящие М. на стационарном эффекте Джозефсона. С их помощью проводятся измерения сверхслабых магн. полей, создаваемых головным мозгом, сердцем и мышцами человека (см. Магнитные поля биологических объектов); выполняются геофизич. исследования и уникальные физ. эксперименты.

Магнитооптические М. основаны на изменении оптич. свойств веществ под действием магн. поля (Фарадея эффект, Керра эффект, Зеемана эффект, Ханле эффект и др.) и применяются в основном в лаб. исследованиях для измерения магн. индукции слабых, средних и сильных магн. полей (как постоянных, так и переменных). Линейная зависимость угла поворота плоскости поляризации света от магн. индукции, отсутствие электрич. цепей в области измеряемого магн. поля, практич. безынерционность магнитооптич. эффекта Фарадея обусловливают перспективность применения этого метода для измерения импульсных магн. полей.

Гальваномагнитные М. основаны на использовании эффектов, возникающих при одноврем. воздействии на полупроводник электрич. и магн. полей: эффекта Холла, магниторезистивного эффекта (см. Магнетосопротивление), магнитоконцентрационного и магнитодиодного эффектов. Наиб. широкое практич. применение для измерения магн. индукции постоянных, переменных и импульсных полей получили М. с ИП на основе эффекта Холла, обладающие линейной зависимостью возникающего электрич. поля от магн. поля в широком диапазоне его значений и чувствительностью ~10^-7-Ю^-6 Тл. Тесламетры Холла применяются для контроля магн. систем электроизмерит. и электронных приборов; для измерения магн. индукции в зазорах электродвигателей, генераторов, эл--магн. реле; для измерения и анализа полей рассеяния источников постоянных, переменных и импульсных магн. полей.

Магниторезистивные тесламетры применяются в области сильных полей (св. 1-2 Тл), где зависимость электрич. сопротивления от магн. индукции линейна.

В практике магн. обсерваторий и метрологич. институтов, а также для определения намагниченности земных пород н свойств магн. материалов применяются магнитомеханические М., основанные на силовом взаимодействии измеряемого магн. поля с постоянным магнитом (кварцевые М., крутильные М., магн. весы, магн. теодолиты, астатич. М. и др.). Создаются М. на новых физ. принципах и явлениях: волоконно-оптич. М. на магнитострикционном эффекте; М., основанные на использовании магнитоупругих волн; М. с ИП на тонких ферромагн. плёнках.

Литература по магнитометрам

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.