Contenido
- El sensor del magnetómetro
- Usos del magnetómetro
- Magnetómetros en materiales
- Física detrás del magnetómetro
- Fenómenos del magnetómetro
- Otros fenómenos del magnetómetro
- Mediciones de magnetómetro precisas
- El magnetómetro en la práctica
Magnetómetros(a veces escrito como "magneto metro") mida la fuerza y la dirección de campo magnético, generalmente dado en unidades de teslas. A medida que los objetos metálicos entran en contacto o se acercan al campo magnético de la Tierra, exhiben propiedades magnéticas.
Para materiales con tal composición de metales y aleaciones metálicas que permiten que los electrones y la carga fluyan libremente, se emiten campos magnéticos. Una brújula es un buen ejemplo de un objeto metálico que entra en interacciones con el campo magnético de la Tierra de manera que la aguja apunta al norte magnético.
Los magnetómetros también miden el densidad de flujo magnético, la cantidad de flujo magnético sobre un área determinada. Puede pensar en el flujo como una red que permite que el agua fluya a través de él si forma un ángulo en la dirección de la corriente de un río. El flujo mide la cantidad de campo eléctrico que lo atraviesa de esta manera.
Puede determinar el campo magnético de este valor si lo mide sobre una superficie plana específica, como una hoja rectangular o una caja cilíndrica. Esto le permite descubrir cómo el campo magnético que ejerce una fuerza sobre un objeto o una partícula cargada en movimiento depende del ángulo entre el área y el campo.
El sensor del magnetómetro
El sensor de un magneto metro detecta la densidad de flujo magnético que se puede convertir en campo magnético. Los investigadores usan magnetómetros para detectar depósitos de hierro en la Tierra midiendo el campo magnético emitido por varias estructuras de roca. Los científicos también pueden usar magnetómetros para determinar la ubicación de naufragios y otros objetos debajo del mar o debajo de la tierra.
Un magnetómetro puede ser vectorial o escalar. Magnetómetros vectoriales detectar la densidad de flujo en una dirección específica en el espacio dependiendo de cómo lo oriente. Magnetómetros escalares, por otro lado, detecta solo la magnitud o la fuerza del vector de flujo, no la posición del ángulo en el que se mide.
Usos del magnetómetro
Los teléfonos inteligentes y otros teléfonos celulares utilizan magnetómetros incorporados para medir campos magnéticos y determinar en qué dirección está el norte a través de la corriente desde el teléfono. Por lo general, los teléfonos inteligentes están diseñados con el propósito de ser multidimensionales para las aplicaciones y funciones que pueden admitir. Los teléfonos inteligentes también usan la salida de un acelerómetro de teléfonos y una unidad GPS para determinar la ubicación y las direcciones de la brújula.
Estos acelerómetros son dispositivos integrados que pueden determinar la posición y orientación de los teléfonos inteligentes, como la dirección en la que lo está apuntando. Estos se utilizan en aplicaciones basadas en el estado físico y servicios de GPS al medir la rapidez con que su teléfono acelera. Funcionan mediante el uso de sensores de estructuras cristalinas microscópicas que pueden detectar cambios precisos y diminutos en la aceleración calculando la fuerza ejercida sobre ellos.
El ingeniero químico Bill Hammack dijo que los ingenieros crean estos acelerómetros de silicio para que permanezcan seguros y estables en los teléfonos inteligentes mientras se mueven. Estos chips tienen una parte que oscila, o se mueve hacia adelante y hacia atrás, que detecta movimientos sísmicos. El teléfono celular puede detectar el movimiento preciso de una lámina de silicio en este dispositivo para determinar la aceleración.
Magnetómetros en materiales
Un magnetómetro puede variar mucho en cómo funciona. Para el ejemplo simple de una brújula, la aguja de una brújula se alinea con el norte del campo magnético de la Tierra de modo que, cuando está en reposo, está en equilibrio. Esto significa que la suma de las fuerzas que actúan sobre ella es cero y el peso de la propia gravedad de la brújula se cancela con la fuerza magnética de la Tierra que actúa sobre ella. Aunque el ejemplo es simple, ilustra la propiedad del magnetismo que permite que otros magnetómetros funcionen.
Las brújulas electrónicas pueden determinar en qué dirección está el norte magnético utilizando fenómenos como el efecto Hall, magnetoinduccióno mangetoresistance.
Física detrás del magnetómetro
El efecto Hall significa que los conductores que tienen corrientes eléctricas que fluyen a través de ellos crean un voltaje perpendicular al campo y la dirección de la corriente. Eso significa que los magnetómetros pueden usar material semiconductor para pasar corriente y determinar si hay un campo magnético cerca.Mide la forma en que la corriente está distorsionada o en ángulo debido al campo magnético, y el voltaje al que ocurre esto es el Voltaje de pasillo, que debe ser proporcional al campo magnético.
Magnetoinducción los métodos, por el contrario, miden qué tan magnetizado es o se convierte un material cuando se expone a un campo magnético externo. Esto implica crear curvas de desmagnetización, también conocidas como curvas B-H o curvas de histéresis, que miden el flujo magnético y la fuerza de la fuerza magnética a través de un material cuando se exponen a un campo magnético.
Estas curvas permiten a los científicos e ingenieros clasificar el material que compone dispositivos como baterías y electroimanes de acuerdo con la forma en que esos materiales responden al campo magnético externo. Pueden determinar qué flujo magnético y fuerza experimentan estos materiales cuando se exponen a los campos externos y clasificarlos por fuerza magnética.
Finalmente, resistencia magnética Los métodos en magnetómetros se basan en la detección de la capacidad de los objetos para cambiar la resistencia eléctrica cuando se exponen a un campo magnético externo. De manera similar a las técnicas de magnetoinducción, los magnetómetros explotan magnetorresistencia anisotrópica (AMR) de ferromagnetos, materiales que, después de estar sujetos a magnetización, muestran propiedades magnéticas incluso después de que se haya eliminado la magnetización.
AMR implica detectar entre la dirección de la corriente eléctrica y la magnetización en presencia de magnetización. Esto sucede cuando los giros de los orbitales electrónicos que forman el material se redistribuyen en presencia de un campo externo.
El giro electrónico no es cómo un electrón gira realmente como si fuera un trompo o una bola, sino que es, más bien, una propiedad cuántica intrínseca y una forma de momento angular. La resistencia eléctrica tiene un valor máximo cuando la corriente es paralela a un campo magnético externo para que el campo pueda calcularse adecuadamente.
Fenómenos del magnetómetro
los sensores sensoriales Los magnetómetros se basan en las leyes fundamentales de la física para determinar el campo magnético. Estos sensores exhiben el efecto Hall en presencia de campos magnéticos de tal manera que los electrones dentro de ellos fluyen en forma de arco. Cuanto mayor es el radio de este movimiento circular giratorio, mayor es el camino que toman las partículas cargadas y más fuerte es el campo magnético.
Con movimientos de arco crecientes, la ruta también tiene una mayor resistencia, por lo que el dispositivo puede calcular qué tipo de campo magnético ejercería esta fuerza sobre la partícula cargada.
Estos cálculos involucran la movilidad del portador o electrón, la rapidez con que un electrón puede moverse a través de un metal o semiconductor en presencia de un campo magnético externo. En presencia del efecto Hall, a veces se le llama Salón de movilidad.
Matemáticamente, la fuerza magnética F es igual a la carga de la partícula q tiempo el producto cruzado de la velocidad de las partículas v y campo magnético si. Toma la forma de Ecuación de Lorentz para el magnetismo F = q (v x B) en el cual X es el producto cruzado
••• Syed Hussain AtherSi desea determinar el producto cruzado entre dos vectores una y si, puedes descubrir que el vector resultante C tiene la magnitud del paralelogramo que abarcan los dos vectores. El vector de producto cruzado resultante está en la dirección perpendicular a una y si dado por la regla de la mano derecha.
La regla de la mano derecha le dice que, si coloca el dedo índice derecho en la dirección del vector b y el dedo medio derecho en la dirección del vector a, el vector resultante C va en la dirección de tu pulgar derecho. En el diagrama anterior, se muestra la relación entre estas tres direcciones de vectores.
La ecuación de Lorentz le dice que con un mayor campo eléctrico, hay más fuerza eléctrica ejercida sobre una partícula cargada en movimiento en el campo. También puede relacionar tres vectores de fuerza magnética, campo magnético y velocidad de la partícula cargada a través de una regla de la mano derecha específicamente para estos vectores.
En el diagrama anterior, estas tres cantidades corresponden a la forma natural en que su mano derecha apunta en estas direcciones. Cada dedo índice y medio y pulgar corresponde a uno de la relación.
Otros fenómenos del magnetómetro
Los magnetómetros también pueden detectar magnetostricción, una combinación de dos efectos. El primero es el Efecto Joule, la forma en que un campo magnético provoca la contracción o expansión de un material físico. El segundo es el Efecto Villari, cómo el material sometido a esfuerzos externos cambia en cómo responde a los campos magnéticos.
Utilizando un material magnetoestrictivo que exhibe estos fenómenos de manera fácil de medir y depende el uno del otro, los magnetómetros pueden realizar mediciones aún más precisas del campo magnético. Debido a que el efecto magnetoestrictivo es muy pequeño, los dispositivos deben medirlo indirectamente.
Mediciones de magnetómetro precisas
Sensores Fluxgate dar un magnetómetro aún más precisión en la detección de campos magnéticos. Estos dispositivos consisten en dos bobinas de metal con núcleos ferromagnéticos, materiales que, después de estar sujetos a magnetización, muestran propiedades magnéticas incluso después de que se haya eliminado la magnetización.
Cuando determina el flujo magnético o el campo magnético que resulta del núcleo, puede determinar qué corriente o cambio en la corriente podría haberlo causado. Los dos núcleos se colocan uno al lado del otro, de modo que la forma en que los cables se enrollan alrededor de un núcleo refleja el otro.
Cuando tiene una corriente alterna, una que invierte su dirección a intervalos regulares, produce un campo magnético en ambos núcleos. Los campos magnéticos inducidos deben oponerse entre sí y cancelarse entre sí si no hay un campo magnético externo. Si hay uno externo, el núcleo magnético se saturará en respuesta a este campo externo. Al determinar el cambio en el campo o flujo magnético, puede determinar la presencia de estos campos magnéticos externos.
El magnetómetro en la práctica
Las aplicaciones de cualquier magnetómetro varían en disciplinas en las que el campo magnético es relevante. En las plantas de fabricación y los dispositivos automatizados que crean y trabajan en equipos metálicos, un magnetómetro puede garantizar que las máquinas mantengan la dirección adecuada cuando realizan acciones como perforar metales o cortar materiales en forma.
Los laboratorios que crean y realizan investigaciones sobre materiales de muestra deben comprender cómo entran en juego diversas fuerzas físicas como el efecto Hall cuando se exponen a campos magnéticos. Pueden clasificar momentos magnéticos como diamagnético, paramagnético, ferromagnético o antiferromagnético.
Materiales diamagnéticos no tienen o tienen pocos electrones no apareados, por lo que no exhiben mucho comportamiento magnético, paramagnético los que tienen electrones no apareados para permitir que los campos fluyan libremente, el material ferromagnético muestra propiedades magnéticas en presencia de un campo externo con espines de electrones paralelos a los dominios magnéticos, y antiferromagnético Los materiales tienen espines electrónicos antiparalelos a ellos.
Los arqueólogos, geólogos e investigadores en áreas similares pueden detectar propiedades de materiales en física y química descubriendo cómo se puede usar el campo magnético para determinar otras propiedades magnéticas o cómo ubicar objetos profundos debajo de la superficie de la Tierra. Pueden permitir a los investigadores determinar la ubicación de los depósitos de carbón y mapear el interior de la Tierra. Los profesionales militares consideran que estos dispositivos son útiles para localizar submarinos, y los astrónomos los consideran beneficiosos para explorar cómo los objetos en el espacio se ven afectados por el campo magnético de la Tierra.