Magnetômetros

Todos nós provavelmente estamos cientes do fato de que os ímãs criam campos magnéticos; a terra tem um campo magnético; a corrente que flui em um fio também gera campo magnético. Mas já percebemos que os campos também são gerados pelo nosso coração e pelo nosso cérebro? Porém, o que difere entre o campo magnético gerado por um ímã e aquele gerado pelo cérebro e pelo coração é a magnitude do campo magnético. A figura a seguir mostra a magnitude dos campos magnéticos gerados por várias fontes.

Uma figura que explica a magnitude dos campos magnéticos gerados por várias fontes
Fig. 1: Uma figura que explica a magnitude dos campos magnéticos gerados por várias fontes
Todos nós estamos rodeados por campos magnéticos. Os campos magnéticos são gerados pelo fluxo de corrente elétrica em vários aparelhos elétricos/eletrônicos; TV, computadores, linhas de transmissão de energia, etc. A Terra também possui seu próprio campo magnético, embora relativamente pequeno. O campo magnético da Terra é maior nos pólos (~ 60.000 nT) e menor no equador (~ 30.000 nT). A intensidade do campo magnético da Terra é proporcional a 1/r3 (até que a influência do vento solar se torne perceptível).
Uma figura que demonstra a proporção da intensidade do campo magnético da Terra para 1/r3
Fig. 2: Uma figura que demonstra a proporção da intensidade do campo magnético da Terra para 1/r3r
A medição dos campos magnéticos é de interesse para diversos fins científicos, navegação, etc. A medição desses campos é feita por dispositivos sensores chamados magnetômetros.
MAGNETÔMETRO – O QUE É?
Uma imagem representativa de um magnetômetro
Figura 3: Uma imagem representativa de um magnetômetro
Magnetômetros são dispositivos que medem campos magnéticos. Um magnetômetro é um instrumento com um sensor que mede a densidade do fluxo magnético B (em unidades de Tesla ou As/m2). Magnetômetros referem-se a sensores usados ​​para detectar campos magnéticos OU a sistemas que medem campos magnéticos usando um ou mais sensores.
Como a densidade do fluxo magnético no ar é diretamente proporcional à intensidade do campo magnético, um magnetômetro é capaz de detectar flutuações no campo terrestre.
Os materiais que distorcem as linhas de fluxo magnético são conhecidos como magnéticos e incluem materiais como a magnetita, que possuem campos magnéticos próprios, bem como uma condutividade magnética muito alta. Esses materiais criam distorções no fluxo magnético da Terra que flui ao seu redor. Os magnetômetros detectam essas distorções.
Um magnetômetro mede a densidade do fluxo magnético no ponto do espaço onde o sensor está localizado. Um campo magnético diminui de intensidade com o cubo da distância do objeto. Portanto, a distância máxima que um determinado magnetômetro pode detectar o objeto é diretamente proporcional à raiz cúbica da sensibilidade do magnetômetro. A sensibilidade é comumente medida em Tesla.
Tipos de magnetômetros
Os magnetômetros são classificados em duas categorias:
• Magnetômetros vetoriais que medem o valor da densidade de fluxo em uma direção específica no espaço tridimensional. Um exemplo é um magnetômetro fluxgate que pode medir a força de qualquer componente do campo terrestre orientando o sensor na direção do componente desejado.
• Magnetômetros escalares que medem apenas a magnitude do vetor que passa pelo sensor, independentemente da direção. Os magnetômetros quânticos são um exemplo desse tipo de magnetômetro.
Vários magnetômetros usados ​​para medir campos magnéticos são discutidos nas seções seguintes.
Magnetômetro de bobina
Com base na lei de Faraday, a bobina é o método fundamental de detecção do campo magnético. A lei de Faraday afirma que a fem induzida em qualquer bobina condutora fechada é igual à taxa de variação do fluxo magnético através do circuito.

Um diagrama demonstrando um magnetômetro de bobina

Fig. 4: Um diagrama demonstrando um magnetômetro de bobina

Com uma bobina tendo N gira enrolado em torno de um material magnético com permeabilidade magnética euR & e um fluxo f através dele, a fem induzida na bobina é:

Uma equação que mostra a relação entre fem, densidade de fluxo, área da bobina e ângulo entre os dois

Fig. 5: Uma equação que mostra a relação entre fem, densidade de fluxo, área da bobina e ângulo entre os dois

Se o campo magnético tem variação harmônica com o tempo, a tensão induzida é proporcional à frequência do campo magnético.
Assim, a fem induzida depende da área da bobina. A sensibilidade do magnetômetro de bobina pequena depende do tamanho e do número de voltas. Isto é usado para detectar apenas variações no campo (devido ao movimento ou à natureza CA do campo). Como normalmente B precisa ser medido em vez de dB/dt, um integrador é normalmente usado para obter um sinal proporcional ao campo magnético B.
Isto é útil em áreas como detecção de minas ou detectores de objetos enterrados (detecção de tubos, caça ao “tesouro”, etc.). É frequentemente usado devido à sua simplicidade.

Sensores Hall

Sensores Hall
O princípio do Efeito Hall afirma que quando um condutor condutor de corrente é colocado em um campo magnético, uma tensão será gerada perpendicularmente à direção do campo e ao fluxo da corrente.
Quando uma corrente constante passa através de uma fina folha de material semicondutor, não há diferença de potencial nos contatos de saída se o campo magnético for zero. No entanto, quando um campo magnético perpendicular está presente, o fluxo de corrente é distorcido. A distribuição desigual da densidade eletrônica cria uma diferença de potencial entre os terminais de saída. Essa tensão é chamada de tensão Hall. Se a corrente de entrada for mantida constante, a tensão Hall será diretamente proporcional à força do campo magnético. O sensor de efeito Hall depende da polaridade. Se a corrente mudar de direção ou o campo magnético mudar de direção, a polaridade da tensão Hall muda.
Um diagrama representando sensores hall
Fig. 6: Um diagrama representando sensores Hall
A tensão Hall é um sinal de baixo nível da ordem de 20 – 30 euvolts em um campo magnético de um gauss e requer amplificação. A tensão Hall é linear em relação ao campo para determinadas correntes e dimensões. O coeficiente Hall depende da temperatura e deve ser compensado se for necessária uma detecção precisa.
Um diagrama explicando o coeficiente Hall como dependente da temperatura
Fig. 7: Um diagrama explicando o coeficiente Hall como dependente da temperatura

Sensores magnetorresistivos

Sensores magnetorresistivos
Os sensores magnetorresistivos são baseados em dois princípios.
O primeiro princípio envolve aqueles que possuem estrutura básica semelhante aos elementos Hall, mas com no Eletrodos de tensão Hall. Os elétrons são afetados pelo campo magnético como no elemento hall por causa da força magnética sobre eles; eles fluirão em um arco.
Uma figura ilustrando sensores magentostritivos
Fig. 8: Uma figura ilustrando sensores magentostritivos
Quanto maior o campo magnético, maior o raio do arco. Isso força os elétrons a seguirem um caminho mais longo. A resistência ao seu fluxo aumenta. Uma relação entre campo magnético e corrente é estabelecida e, portanto, a resistência do dispositivo torna-se uma medida de campo. A relação entre campo e corrente é proporcional a B2 para a maioria das configurações. Depende da mobilidade da portadora no material utilizado (geralmente um semicondutor). A relação exata é bastante complicada e depende da geometria do dispositivo.
Outro princípio utilizado pelos sensores magnetorresistivos é a propriedade de alguns materiais de alterar sua resistência na presença de um campo magnético (causado pela força de Lorentz). A maioria dos condutores tem magnetorresistividade positiva; sua resistência aumenta na presença de um campo magnético.
AMR (magnetorresistência anisotrópica são metais com propriedades altamente anisotrópicas e mudam sua direção de magnetização devido à aplicação do campo.

Sensores Magnetostritivos

Sensores Magnetostritivos
A magnetostrição envolve dois efeitos: a contração ou expansão de um material sob a influência do campo magnético (efeito Joule) e o efeito inverso de mudanças na suscetibilidade do material quando submetido a estresse mecânico (efeito Villari). Este efeito bidirecional entre os estados magnético e mecânico de um material magnetostritivo é uma capacidade de transdução usada tanto para atuação quanto para detecção. O efeito magnetostritivo é bastante pequeno e requer métodos indiretos para sua medição.
A operação é explicada na figura a seguir. A mudança no comprimento é proporcional ao campo magnético.

Um diagrama explicando a operação de sensores magentostritivos

Fig. 9: Um diagrama explicando a operação de sensores magentostritivos

Magnetômetro Fluxgate

Uma figura demonstrando o magnetômetro fluxgate

Fig. 10: Uma figura demonstrando o magnetômetro Fluxgate

Originalmente projetados para detectar submarinos na Segunda Guerra Mundial, os magnetômetros Fluxgate detectam a intensidade e a orientação dos campos magnéticos. Eles são usados ​​para medir flutuações no campo magnético da Terra devido aos ventos solares e mudanças nas placas tectônicas.Muitas aplicações espaciais têm usado magnetômetros fluxgate para detectar os campos gravitacionais do planeta e da lua e sua orientação.
Os sensores Fluxgate são muito mais sensíveis que os magnetômetros de bobina, embora um pouco mais complexos. Pode ser usado como um sensor magnético de uso geral. É utilizado em bússolas eletrônicas, detecção de campos produzidos pelo coração humano, campos no espaço.
O princípio subjacente do magnetômetro é explicado abaixo:
Um campo magnético externo H aplicado a um núcleo ferromagnético induz um fluxo magnético no núcleo; B = ?H (? é a permeabilidade do material). Para valores elevados de H o material satura e o fluxo magnético B não pode ser aumentado ainda mais.
Quando o núcleo não está saturado, as linhas de fluxo nas proximidades são atraídas para dentro do núcleo. Quando o núcleo está saturado, as linhas de fluxo magnético não são mais afetadas pelo núcleo
Um diagrama que explica a intensidade do campo magnético em núcleos saturados e insaturados
Fig. 10: Um diagrama que explica a intensidade do campo magnético em núcleos saturados e insaturados

Uma figura explicando dois núcleos sólidos e um núcleo em anel

Fig. 11: Uma figura explicando dois núcleos sólidos e um núcleo em anel

Duas bobinas são enroladas em núcleos altamente ferromagnéticos, uma bobina condutora e uma bobina sensora. A bobina condutora conduz o núcleo para dentro e para fora da saturação, aplicando uma corrente de excitação através da bobina. Sempre que linhas de fluxo magnético são retiradas do núcleo, elas induzem um pico de corrente positivo na bobina sensora. Quando são puxados para dentro do núcleo, geram uma corrente negativa na bobina sensora (lei de Lenz). O sinal induzido na bobina sensora é proporcional a dB/dt.
Os dois núcleos são colocados próximos um do outro, simetricamente opostos. Cada núcleo é enrolado em uma bobina primária; os enrolamentos primários são invertidos um do outro. Uma corrente alternada é aplicada aos enrolamentos primários produzindo um campo magnético variável em ambos os núcleos.
Quando nenhum campo magnético externo está presente, os campos magnéticos induzidos nos núcleos são iguais e opostos, anulando-se mutuamente. Quando um campo magnético externo está presente, o núcleo que gera um campo oposto à sua direção sairá da saturação mais cedo, enquanto o núcleo alinhado com sua direção sairá da saturação mais tarde. Durante este tempo os campos não se cancelam e há uma mudança líquida no fluxo. Esta mudança no fluxo induz uma tensão nos enrolamentos secundários que pode ser medida
A curva de magnetização para a maioria dos materiais ferromagnéticos é altamente não linear. Quase qualquer material ferromagnético é adequado como núcleo para sensores fluxgate. Na prática, a bobina é acionada por uma fonte CA (senoidal ou quadrada). Sob nenhum campo externo, a magnetização é idêntica ao longo do caminho magnético. Conseqüentemente, a bobina sensora produzirá saída zero.
Se existir um campo magnético externo perpendicular à bobina sensora, esta condição muda e, com efeito, o núcleo torna-se magnetizado de forma não uniforme. Produz uma fem na bobina de detecção da ordem de alguns mV/euT. A razão para o nome fluxgate é a mudança do fluxo no núcleo para direções opostas.
Os materiais magnetostritivos são altamente não lineares. Os sensores assim produzidos são extremamente sensíveis – com sensibilidades de 106 para 109 É bastante comum.
Os sensores fluxgate podem ser projetados com dois ou três eixos. Os sensores Fluxgate estão disponíveis em circuitos integrados onde o Permalloy é o material de escolha, pois pode ser depositado em filmes finos e seu campo de saturação é baixo. No entanto, os atuais sensores fluxgate integrados têm sensibilidades mais baixas – da ordem de 100 euT – mas ainda maior do que outros sensores de campo magnético.
O satélite chinês de exploração de Marte YH-1 usou magnetômetros fluxgate para Medições de campo magnético espacial

Magnetômetro de prótons

Magnetômetro de prótons
Também conhecidos como magnetômetros de precessão de prótons, PPMs, medem a frequência de ressonância de prótons ou núcleos de hidrogênio no campo magnético a ser medido. Como a frequência de precessão depende apenas das constantes atômicas e da força do campo magnético ambiente, a precisão deste tipo de magnetômetro pode chegar a 1 ppm.
Uma corrente DC polarizada é passada através de uma bobina enrolada em torno de uma amostra líquida (água, querosene ou similar), criando assim um campo magnético auxiliar e também fazendo com que os prótons se polarizem para uma magnetização líquida mais forte. Quando o fluxo auxiliar termina, os prótons “polarizados” entram em precessão para realinhá-los à densidade de fluxo normal. A frequência de precessão é diretamente proporcional à densidade do fluxo magnético.

Uma figura explicando o fluxo do processo do magnetômetro de prótons

Fig. 12: Uma figura explicando o fluxo do processo do magnetômetro de prótons

As medições de precessão de prótons são necessariamente sequenciais. Isto significa que há uma polarização inicial, seguida de uma medição de frequência – após a qual o ciclo se repete. Isto difere das medições contínuas onde os núcleos são polarizados e as medições de frequência são feitas simultaneamente.

Magnetômetros Overhauser

Magnetômetros Overhauser
Alta sensibilidade; sensores omnidirecionais superiores; sem zonas mortas; sem erros de rumo; ou tempo de aquecimento; ampla faixa de temperatura operacional; design robusto e confiável; baixa manutenção; alta precisão absoluta, rápida velocidade de operação; consumo de energia excepcionalmente baixo são algumas das características dos magnetômetros Overhauser.
Nos magnetômetros Overhauser, um líquido especial (contendo elétrons livres e desemparelhados) é combinado com átomos de hidrogênio e então exposto à polarização secundária de um campo magnético de radiofrequência (RF).
Devido à exposição à energia RF, os elétrons livres no líquido especial transferem seu estado excitado (ou seja, energia) para os núcleos de hidrogênio (ou seja, prótons). Esta transferência de energia altera as populações do estado de spin dos protões e polariza o líquido – tal como um magnetómetro de precessão de protões – mas com muito menos potência e numa extensão muito maior.
Os campos magnéticos de RF são ideais para uso em dispositivos magnéticos porque são “transparentes” para o campo magnético “DC” da Terra e a frequência de RF está bem fora da largura de banda do sinal de precessão (ou seja, eles não contribuem com ruído para o sistema de medição) .
A proporcionalidade da frequência de precessão e da densidade do fluxo magnético é perfeitamente linear, independente da temperatura e apenas ligeiramente afetada pelos efeitos de proteção dos elétrons orbitais do hidrogênio.
Em comparação com magnetômetros de precessão de prótons, magnetômetros Overhauser
1. Tem muita sensibilidade, combinando com magnetômetros de césio.
2. Oferece operação contínua ou sequencial.
3. Têm maior taxa de amostragem.

Magnetômetros com bombeamento óptico

Magnetômetros com bombeamento óptico
Os magnetômetros bombeados opticamente incluem 1 magnetômetro nuclear (Hélio 3) e quatro magnetômetros de ressonância eletrônica (Hélio 4, Rubídio, Césio e Potássio).
Os magnetômetros bombeados opticamente por vapor alcalino usam metais alcalinos gasosos da primeira coluna da tabela periódica, como Césio, Potássio ou Rubídio.

Um diagrama de uma célula de vapor de vidro contendo metal gasoso é exposta por luz de comprimento de onda muito específico

Fig. 13: Um diagrama de uma célula de vapor de vidro contendo metal gasoso é exposta por luz de comprimento de onda muito específico

Uma célula de vapor de vidro contendo metal gasoso é exposta por luz de comprimento de onda muito específico. A frequência da luz é especificamente selecionada e polarizada circularmente para cada elemento para deslocar os elétrons do nível fundamental 2 para o estado excitado 3. Os elétrons no nível 3 não são estáveis, e esses elétrons decaem espontaneamente para ambos os níveis de energia 1 e 2. Eventualmente, o nível 1 está totalmente preenchido. Quando isso acontece, a absorção da luz polarizada para e o vapor a célula fica mais transparente.
Então, a despolarização de RF entra em ação. A potência de RF correspondente à diferença de energia entre os níveis 1 e 2 é aplicada à célula para mover os elétrons do nível 1 de volta ao nível 2 (e a célula torna-se opaca novamente). A frequência do campo RF necessária para repovoar o nível 2 varia com o campo magnético ambiente e é chamada de frequência de Larmor. A despolarização por um campo magnético circular na frequência de Larmor reequilibrará as populações dos dois níveis terrestres e a célula de vapor começará a absorver mais luz polarizada.
O efeito da polarização e da despolarização é que a intensidade da luz é modulada pela frequência de RF. Ao detectar a modulação da luz e medir a frequência, podemos encontrar um valor do campo magnético.

LULA

LULA
SQUID significa Ssupercondutor QUantum EUinterferência Ddispositivo. Eles são os mais sensíveis de todos os magnetômetros, podem detectar até 1015 T. Eles operam em temperaturas muito baixas – geralmente a 4,2 °K (hélio líquido). Também existem SQUIDs de temperatura mais alta e SQUIDs integrados. Ainda assim, os SQUIDs não são tão comuns quanto outros tipos de sensores; eles não podem simplesmente ser retirados da prateleira e usados.
Os SQUIDs são baseados na chamada junção Josephson; uma junção formada se dois supercondutores são separados por uma pequena lacuna isolante (descoberta em 1962 por BD Josephson). Se o isolador entre dois supercondutores for fino o suficiente, os elétrons supercondutores podem criar um túnel através do isolador. O material de base geralmente é o nióbio ou uma liga de chumbo (90%)-ouro (10%).
Existem dois tipos básicos de SQUIDs. SQUIDs RF (radiofrequência) que possuem apenas uma junção Josephson e SQUIDs DC que geralmente possuem duas junções. DC SQUIDs são mais caros de produzir, mas são muito mais sensíveis.
A principal dificuldade com os SQUIDs é o requisito de resfriamento e a massa necessária. No entanto, é um sensor extremamente valioso onde o custo pode ser justificado. É usado exclusivamente em aplicações como magnetoencefalografia. As medições de campos magnéticos muito baixos são feitas em salas blindadas onde o campo magnético terrestre pode ser eliminado.

Formulários

APLICAÇÕES DO MAGNETÔMETRO:
1. Eles são usados ​​para fins de navegação.
2. Eles são usados ​​em sistemas de frenagem antibloqueio em veículos.
3. Magnetômetros Fluxgate têm sido usados ​​em missões espaciais para medições de campo magnético.
4. Magnetômetros são usados ​​para exploração mineral; é usado para pesquisar depósitos de ouro, prata, ferro, cobre, etc.
5. Eles são usados ​​em muitas aplicações de defesa; UAVs, submarinos, etc.
6. Os magnetômetros encontraram uso em smartphones que possuem aplicativos que funcionam como bússolas.
7. E muitos mais..

Referências

GMW, Magnetômetros: um guia abrangente

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