Магнитометр

(от греч. Magnetis — магнит и ...метр) прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ (магнитных материалов). В зависимости от определяемой 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 более узком смысле М. — приборы для измерения напряжённости, направления и градиента магнитного поля. В современных М. Для отсчёта значений измеряемой величины применяются следующие методы.

Визуальный отсчёт по шкале, запись в цифровой или аналоговой форме, фотозапись, запись на магнитных лентах, перфолентах и перфокартах. Шкалы М. Градуируются в единицах напряжённости магнитного поля СГС системы единиц (См. СГС система единиц) (эрстед, мэ, мкэ, гамма = 105 э) и в единицах магнитной индукции СИ (тесла, мктл, нтл). Различают М. Для измерений абсолютных значений характеристик поля и относительных изменений поля в пространстве или во времени. Последние называются вариометрами магнитными (См. Вариометр магнитный). М. Классифицируют также по условиям эксплуатации (стационарные, на подвижных платформах и т.д.), и, наконец, в соответствии с физическими явлениями, положенными в основу их действия (см. Магнитные измерения).

Магнитостатические М. Основаны на измерении механического момента J, действующего на индикаторный магнит прибора в измеряемом поле Низм. J = [М, Низм], где М — магнитный момент индикаторного магнита. Момент J в М. Различной конструкции сравнивается. А) с моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые М. И универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью G Магнитометр 1 нтл). Б) с моментом силы тяжести (Магнитные весы с G Магнитометр 10—15 нтл). В) с моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определённом положении (оси индикаторного и вспомогательного магнитов в положении равновесия перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогательного магнита в поле Низм, можно измерить абсолютную величину Низм (абсолютный метод Гаусса).

Основное назначение магнитостатических М. — измерение компонент и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля (рис. 1), градиента поля, а также магнитных свойств веществ. Электрические М. Основаны на сравнении Низм с полем эталонного соленоида Н = kl, где k — постоянная соленоида, определяемая из геометрических и конструктивных его параметров, I — измеряемый ток. Электромагнитные М. Состоят из компаратора для измерения размеров соленоида и обмотки, теодолита для точной ориентации оси соленоида по направлению измеряемой компоненты поля, потенциометрической системы для измерения тока I и чувствительного датчика — индикатора равенства полей. Чувствительность М. Этого типа Магнитометр 1 мкэ, основная область применения — измерение горизонтальной и вертикальной составляющих геомагнитного поля.

Индукционные М. Основаны на явлении электромагнитной индукции — возникновении эдс в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь её контур магнитного потока Ф. Изменение потока ΔФ в катушке может быть связано. А) 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 Магнитометр 10-4 вб/деление). Широко применяются магнитоэлектрические веберметры с G Магнитометр 10-6 вб/деление, фотоэлектрические веберметры с G Магнитометр 10-8 вб/деление и другие (подробнее см. Флюксметр). Б) с периодическим изменением положения (вращением, колебанием) измерительной катушки в измеряемом поле (рис.

2). Простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G Магнитометр 10-4 тл. У наиболее чувствительных вибрационных М. G Магнитометр 0,1—1 нтл. В) 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 феррозондовые М. Имеют G Магнитометр 0,2—1 нтл (см. Феррозонд). Индукционные М. Применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т.д. Квантовые М. — приборы, основанные на ядерном магнитном резонансе (См. Ядерный магнитный резонанс), электронном парамагнитном резонансе (См.

Электронный парамагнитный резонанс), свободной прецессии (См. Прецессия) магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах. Для наблюдения зависимости частоты ω прецессии магнитных моментов микрочастиц от напряжённости Низм измеряемого поля (ω = γ Низм, где γ — 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 М. (свободной прецессии, с динамической поляризацией и с синхронной поляризацией), резонансные М. (электронные и ядерные), М. С оптической накачкой и другие (подробнее см.

В ст. Квантовый магнитометр). Квантовые М. Применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей (в том числе геомагнитного и магнитного поля в космическом пространстве), в геологоразведке, в магнетохимии (См. Магнетохимия) (G до 10-5—10-7 нтл). Значительно меньшую чувствительность (G Магнитометр 10-5 тл) имеют квантовые М. Для измерения сильных магнитных полей. Сверхпроводящие квантовые М. Основаны на квантовых эффектах в сверхпроводниках. Выталкивании магнитного поля из сверхпроводника (см. Мейснера эффект), квантовании магнитного потока (См. Квантование магнитного потока) в сверхпроводнике, на зависимости от Низм критического тока контакта двух сверхпроводников (см. Джозефсона эффект). Сверхпроводящими М. Измеряют компоненты геомагнитного поля, они нашли применение в биофизике, магнетохимии и т.д.

Чувствительность сверхпроводящих М. Достигает Магнитометр 10-5 нтл (подробнее см. Сверхпроводящие магнитометры). Гальваномагнитные М. Основаны на явлении искривления траектории электрических зарядов, движущихся в магнитном поле Низм, под действием Лоренца силы (См. Лоренца сила) (см. Гальваномагнитные явления). К этой группе М. Относятся. М. На Холла эффекте (возникновении между гранями проводящей пластинки разности потенциалов, пропорциональной протекающему току и Низм). М. На эффекте Гаусса (изменении сопротивления проводника в поперечном магнитном поле Низм). На явлении падения анодного тока в вакуумных магнетронах и электроннолучевых трубках (вызванного отклонением электронов в магнитном поле) и другие. На эффекте Холла основано действие различного рода тесламетров для измерения постоянных, переменных и импульсных магнитных полей (чувствительностью 10-4—10-5 тл, рис.

3). Градиентометров и приборов для исследования магнитных свойств материалов. Чувствительность тесламетров, работающих на основе эффекта Гаусса, достигает 10 мкв/тл. Чувствительность электронно-вакуумных М. Магнитометр 30 нтл. Для измерения напряжённости и изучения топологии магнитного поля в различных средах нашли применение М., основанные на вращении плоскости поляризации света в магнитном поле или поле намагниченного образца (см. Фарадея эффект, Керра эффект), на изменении длины намагниченного стержня под действием приложенного поля (см. Магнитострикция) и др. М. Различных принципов действия и чувствительности широко применяются в геофизике, физике космоса, ядерной физике, магнетохимии, биофизике, дефектоскопии и в качестве элементов автоматики и средств управления.

Лит. Яновский Б. М., Земной магнетизм, [т. 2, 2 изд.], Л., 1963. Чечурина Е. Н., Приборы для измерения магнитных величин, М., 1969. Померанцев Н. М., Рыжков В. М., Скроцкий Г. В., Физические основы квантовой магнитометрии, М., 1972. Instrumenten und Massenmethoden, в книге. Geomagnetismus und Aeronomie, Bd 2, В., 1960. Communications présentées an colloque international champs magnétiques faibles d’Intéret géophysique et spatial, Paris, 20—23 mai 1969, «Revue de physique appliquée», 1970, t. 5, № 3. Ш. Ш. Долгинов. Рис. 1. Схема кварцевого магнитометра для измерения вертикальной составляющей (Z) напряжённости геомагнитного поля. 1 — оптическая система зрительной трубы. 2 — оборотная призма для совмещения шкалы 9 с полем зрения. 3 — магниточувствительная система (постоянный магнит на кварцевой растяжке 5).

4 — зеркало. 6 — магнит для частичной компенсации геомагнитного поля (изменения диапазона прибора). 7 — кварцевая рамка. 8 — измерительный магнит. Магниточувствительную систему приводят в горизонтальное положение, воздействуя измерительным магнитом. По углу поворота магнита 8 судят о величине Z—компоненты. 10 — оптическая система для освещения шкалы. Рис. 2. Блок-схема и конструкция преобразователя вибрационного тесламетра. 1 — измерительная катушка, укрепленная на торце пьезокристалла 2 (вибратора). 3 — зажим для крепления пьезокристалла. 4 — усилитель сигнала. Сигнал детектируется и измеряется прибором магнитоэлектрической системы 5. 6 — генератор электромагнитных колебаний. 7 — источник питания. Рис. 3. Принципиальная схема тесламетра, основанного на эффекте Холла (компенсационного типа).

E1 и Е2 — источники постоянного тока. R1 и r2 — резисторы. G — гальванометр, mА — миллиамперметр. ПХ — преобразователь Холла (полупроводниковая пластинка). Эдс Холла компенсируется падением напряжения на части калиброванного сопротивления r2, через которое протекает постоянный ток..