Probablemente todos seamos conscientes del hecho de que los imanes crean campos magnéticos; la tierra tiene un campo magnético; La corriente que fluye por un cable también genera un campo magnético. Pero ¿nos hemos dado cuenta de que los campos también los generan nuestro corazón y nuestro cerebro? Sin embargo, lo que diferencia entre el campo magnético generado por un imán y el generado por el cerebro y el corazón es la magnitud del campo magnético. La siguiente figura muestra la magnitud de los campos magnéticos generados por diversas fuentes.
Fig. 1: Una figura que explica la magnitud de los campos magnéticos generados por diversas fuentes.
Todos estamos rodeados de campos magnéticos. Los campos magnéticos son generados por el flujo de corriente eléctrica en varios dispositivos eléctricos/electrónicos; TV, ordenadores, líneas de transmisión de energía, etc. La Tierra también tiene su propio campo magnético, aunque relativamente pequeño. El campo magnético de la Tierra es mayor en los polos (~60.000 nT) y más bajo en el ecuador (~30.000 nT). La intensidad del campo magnético terrestre es proporcional a 1/r3 (hasta que se nota la influencia del viento solar).
Fig. 2: Una figura que demuestra la relación entre la intensidad del campo magnético de la Tierra y 1/r3r.
La medición de campos magnéticos es de interés para diversos fines científicos, navegación, etc. Estos campos se miden mediante dispositivos sensores llamados magnetómetros.
MAGNETÓMETRO – ¿QUÉ ES?
Figura 3: Una imagen representativa de un magnetómetro
Los magnetómetros son dispositivos que miden campos magnéticos. Un magnetómetro es un instrumento con un sensor que mide la densidad de flujo magnético B (en unidades de Tesla o As/m2). Los magnetómetros se refieren a sensores utilizados para detectar campos magnéticos O a sistemas que miden campos magnéticos utilizando uno o más sensores.
Dado que la densidad del flujo magnético en el aire es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético, un magnetómetro es capaz de detectar fluctuaciones en el campo terrestre.
Los materiales que distorsionan las líneas de flujo magnético se conocen como magnéticos e incluyen materiales como la magnetita, que tienen campos magnéticos propios y una conductividad magnética muy alta. Estos materiales crean distorsiones en el flujo magnético de la Tierra que fluye a su alrededor. Los magnetómetros detectan estas distorsiones.
Un magnetómetro mide la densidad del flujo magnético en el punto del espacio donde se encuentra el sensor. Un campo magnético disminuye en intensidad con el cubo de la distancia al objeto. Por lo tanto, la distancia máxima a la que un magnetómetro determinado puede detectar el objeto es directamente proporcional a la raíz cúbica de la sensibilidad del magnetómetro. La sensibilidad se mide comúnmente en Tesla.
Tipos de magnetómetros
Los magnetómetros se clasifican en dos categorías:
• Magnetómetros vectoriales que miden el valor de la densidad de flujo en una dirección específica en el espacio tridimensional. Un ejemplo es un magnetómetro fluxgate que puede medir la fuerza de cualquier componente del campo terrestre orientando el sensor en la dirección del componente deseado.
• Magnetómetros escalares que miden únicamente la magnitud del vector que pasa por el sensor, independientemente de la dirección. Los magnetómetros cuánticos son un ejemplo de este tipo de magnetómetro.
En las siguientes secciones se analizan varios magnetómetros utilizados para medir campos magnéticos.
Magnetómetro de bobina
Según la ley de Faraday, la bobina es el método fundamental para detectar el campo magnético. La ley de Faraday establece que la fem inducida en cualquier bobina conductora cerrada es igual a la tasa de cambio del flujo magnético a través del circuito.
Fig. 4: Un diagrama que muestra un magnetómetro de bobina.
Con una bobina que tiene N vueltas enrolladas alrededor de un material magnético con permeabilidad magnética L R & y un flujo f a través de él, la fem inducida en la bobina es:
Fig. 5: Una ecuación que muestra la relación entre fem, densidad de flujo, área de la bobina y ángulo entre los dos.
Si el campo magnético tiene una variación armónica con el tiempo, el voltaje inducido es proporcional a la frecuencia del campo magnético.
Por tanto, la fem inducida depende del área de la bobina. La sensibilidad del magnetómetro de bobina pequeña depende del tamaño y del número de vueltas. Esto se utiliza para detectar sólo variaciones en el campo (debido al movimiento o la naturaleza CA del campo). Dado que normalmente es necesario medir B en lugar de dB/dt, normalmente se utiliza un integrador para obtener una señal proporcional al campo magnético B.
Esto es útil en áreas como la detección de minas o la detección de objetos enterrados (detección de tuberías, búsqueda de “tesoros”, etc.). Se utiliza mucho por su sencillez.
Sensores de pasillo
Sensores de pasillo
El principio del efecto Hall establece que cuando un conductor portador de corriente se coloca en un campo magnético, se generará un voltaje perpendicular a la dirección del campo y al flujo de corriente.
Cuando una corriente constante pasa a través de una lámina delgada de material semiconductor, no hay diferencia de potencial entre los contactos de salida si el campo magnético es cero. Sin embargo, cuando hay presente un campo magnético perpendicular, el flujo de corriente se distorsiona. La distribución desigual de la densidad de electrones crea una diferencia de potencial entre los terminales de salida. Este voltaje se llama voltaje Hall. Si la corriente de entrada se mantiene constante, el voltaje Hall será directamente proporcional a la intensidad del campo magnético. El sensor de efecto Hall depende de la polaridad. Si la corriente cambia de dirección o el campo magnético cambia de dirección, la polaridad del voltaje Hall cambia.
Fig. 6: Un diagrama que representa los sensores Hall
El voltaje Hall es una señal de bajo nivel del orden de 20 a 30 voltios en un campo magnético de un gauss y requiere amplificación. El voltaje Hall es lineal con respecto al campo para ciertas corrientes y dimensiones. El coeficiente Hall depende de la temperatura y debe compensarse si se requiere una detección precisa.
Fig. 7: Un diagrama que explica el coeficiente de Hall en función de la temperatura.
Sensores magnetorresistivos
Sensores magnetorresistivos
Los sensores magnetorresistivos se basan en dos principios.
El primer principio involucra aquellos que tienen una estructura básica similar a los elementos Hall, pero con n electrodos de voltaje Hall. Los electrones se ven afectados por el campo magnético como en el elemento hall debido a la fuerza magnética sobre ellos; fluirán en un arco.
Fig. 8: Figura que ilustra sensores magentoestrictivos
Cuanto mayor es el campo magnético, mayor es el radio del arco. Esto obliga a los electrones a tomar un camino más largo. Aumenta la resistencia a su flujo. Se establece una relación entre el campo magnético y la corriente y por tanto la resistencia del dispositivo se convierte en una medida de campo. La relación entre campo y corriente es proporcional a B 2 para la mayoría de las configuraciones. Depende de la movilidad del soporte en el material utilizado (normalmente un semiconductor). La relación exacta es bastante complicada y depende de la geometría del dispositivo.
Otro principio utilizado por los sensores magnetorresistivos es la propiedad de algunos materiales de cambiar su resistencia en presencia de un campo magnético (provocado por la fuerza de Lorentz). La mayoría de los conductores tienen magnetorresistividad positiva; su resistencia aumenta en presencia de un campo magnético.
AMR (magnetorresistencia anisotrópica) son metales con propiedades altamente anisotrópicas y cambian su dirección de magnetización debido a la aplicación en campo.
Sensores magnetoestrictivos
Sensores magnetoestrictivos
La magnetoestricción implica dos efectos: la contracción o expansión de un material bajo la influencia del campo magnético (efecto Joule) y el efecto inverso de los cambios en la susceptibilidad del material cuando se somete a un estrés mecánico (efecto Villari). Este efecto bidireccional entre los estados magnético y mecánico de un material magnetoestrictivo es una capacidad de transducción utilizada tanto para actuación como para detección. El efecto magnetoestrictivo es bastante pequeño y requiere métodos indirectos para medirlo.
El funcionamiento se explica en la siguiente figura. El cambio de longitud es proporcional al campo magnético.
Fig. 9: Un diagrama que explica el funcionamiento de los sensores magentoestrictivos.
Magnetómetro Fluxgate
Fig. 10: Una figura que demuestra el magnetómetro Fluxgate
Diseñados originalmente para detectar submarinos en la Segunda Guerra Mundial, los magnetómetros Fluxgate detectan la fuerza y orientación de los campos magnéticos. Se utilizan para medir las fluctuaciones en el campo magnético de la Tierra debido a los vientos solares y los cambios en las placas tectónicas. Muchas aplicaciones espaciales han utilizado magnetómetros fluxgate para detectar los campos gravitacionales del planeta y la luna y su orientación.
Los sensores Fluxgate son mucho más sensibles que los magnetómetros de bobina, aunque un poco más complejos. Se puede utilizar como sensor magnético de uso general. Se utiliza en brújulas electrónicas, detección de campos producidos por el corazón humano, campos en el espacio.
El principio subyacente del magnetómetro se explica a continuación:
Un campo magnético externo H aplicado a un núcleo ferromagnético induce un flujo magnético en el núcleo; B = ?H (? es la permeabilidad del material). Para valores elevados de H el material se satura y el flujo magnético B no se puede aumentar más.
Cuando el núcleo no está saturado, las líneas de flujo cercanas se dibujan hacia el núcleo. Cuando el núcleo está saturado, las líneas de flujo magnético ya no se ven afectadas por el núcleo.
Fig. 10: Un diagrama que explica la intensidad del campo magnético en núcleos saturados e insaturados.
Fig. 11: Una figura que explica dos núcleos sólidos y un núcleo anular.
En núcleos altamente ferromagnéticos se enrollan dos bobinas: una bobina conductora y una bobina sensora. La bobina conductora hace que el núcleo entre y salga de la saturación aplicando una corriente de excitación a través de la bobina. Siempre que se extraen líneas de flujo magnético desde el núcleo, inducen un pico de corriente positivo en la bobina sensora. Cuando son atraídos hacia el núcleo, generan una corriente negativa en la bobina sensora (ley de Lenz). La señal inducida en la bobina sensora es proporcional a dB/dt.
Los dos núcleos están situados uno cerca del otro, simétricamente opuestos. Cada núcleo está enrollado en una bobina primaria; los devanados primarios están invertidos entre sí. Se aplica una corriente alterna a los devanados primarios produciendo un campo magnético variable en ambos núcleos.
Cuando no hay ningún campo magnético externo, los campos magnéticos inducidos en los núcleos son iguales y opuestos, anulándose entre sí. Cuando hay presente un campo magnético externo, el núcleo que genera un campo opuesto a su dirección saldrá antes de la saturación, mientras que el núcleo alineado con su dirección saldrá de la saturación más tarde. Durante este tiempo los campos no se cancelan entre sí y hay un cambio neto en el flujo. Este cambio de flujo induce un voltaje en los devanados secundarios que se puede medir
La curva de magnetización de la mayoría de los materiales ferromagnéticos es altamente no lineal. Casi cualquier material ferromagnético es adecuado como núcleo para sensores fluxgate. En la práctica, la bobina es accionada por una fuente de CA (sinusoidal o cuadrada). Sin ningún campo externo, la magnetización es idéntica a lo largo del camino magnético. Por lo tanto, la bobina de búsqueda producirá salida cero.
Si hay un campo magnético externo perpendicular a la bobina sensora, esta condición cambia y, de hecho, el núcleo se magnetiza de manera no uniforme. Produce una fem en la bobina de detección del orden de unos pocos mV/ l T. El motivo del nombre fluxgate es el cambio de flujo en el núcleo en direcciones opuestas.
Los materiales magnetoestrictivos son altamente no lineales. Los sensores así producidos son extremadamente sensibles, con sensibilidades de 10 – 6 a 10 – 9 , lo cual es bastante común.
Los sensores Fluxgate pueden diseñarse con dos o tres ejes. Los sensores Fluxgate están disponibles en circuitos integrados donde Permalloy es el material elegido, ya que puede depositarse en películas delgadas y su campo de saturación es bajo. Sin embargo, los sensores fluxgate integrados actuales tienen sensibilidades más bajas (del orden de 100 l T), pero aún más altas que otros sensores de campo magnético.
El satélite chino de exploración de Marte YH-1 utilizó magnetómetros Fluxgate para mediciones del campo magnético espacial
Magnetómetro de protones
Magnetómetro de protones
También conocidos como magnetómetros de precesión de protones, PPM, miden la frecuencia de resonancia de los protones o de los núcleos de hidrógeno en el campo magnético a medir. Dado que la frecuencia de precesión depende únicamente de las constantes atómicas y de la fuerza del campo magnético ambiental, la precisión de este tipo de magnetómetro puede alcanzar 1 ppm .
Se hace pasar una corriente continua polarizada a través de una bobina enrollada alrededor de una muestra líquida (agua, queroseno o similar), creando así un campo magnético auxiliar y también provocando que los protones se polaricen para una magnetización líquida más fuerte. Cuando finaliza el flujo auxiliar, los protones "polarizados" precesan para realinearlos a la densidad de flujo normal. La frecuencia de precesión es directamente proporcional a la densidad del flujo magnético.
Fig. 12: Figura que explica el flujo del proceso del magnetómetro de protones.
Las mediciones de la precesión de protones son necesariamente secuenciales. Esto significa que hay un sesgo inicial, seguido de una medición de frecuencia, después de lo cual el ciclo se repite. Esto difiere de las mediciones continuas donde los núcleos están polarizados y las mediciones de frecuencia se realizan simultáneamente.
Magnetómetros Overhauser
Magnetómetros Overhauser
Alta sensibilidad; sensores omnidireccionales superiores; sin zonas muertas; sin errores de rumbo; o tiempo de calentamiento; amplio rango de temperatura de funcionamiento; diseño robusto y fiable; bajo mantenimiento; alta precisión absoluta, velocidad de funcionamiento rápida; Un consumo de energía excepcionalmente bajo son algunas de las características de los magnetómetros Overhauser.
En los magnetómetros Overhauser, un líquido especial (que contiene electrones libres y desapareados) se combina con átomos de hidrógeno y luego se expone a la polarización secundaria de un campo magnético de radiofrecuencia (RF).
Debido a la exposición a la energía de RF, los electrones libres en el líquido especial transfieren su estado excitado (es decir, energía) a los núcleos de hidrógeno (es decir, protones). Esta transferencia de energía cambia las poblaciones de estados de espín de los protones y polariza el líquido (como un magnetómetro de precesión de protones), pero con mucha menos potencia y en mucha mayor medida.
Los campos magnéticos de RF son ideales para su uso en dispositivos magnéticos porque son "transparentes" al campo magnético "CC" de la Tierra y la frecuencia de RF está muy fuera del ancho de banda de la señal de precesión (es decir, no contribuyen al ruido del sistema de medición). ).
La proporcionalidad de la frecuencia de precesión y la densidad del flujo magnético es perfectamente lineal, independiente de la temperatura y sólo ligeramente afectada por los efectos de protección de los electrones orbitales del hidrógeno.
En comparación con los magnetómetros de precesión de protones, los magnetómetros Overhauser
1. Tiene mucha sensibilidad, equiparable a los magnetómetros de cesio.
dos. Ofrece funcionamiento continuo o secuencial.
3. Tienen una mayor frecuencia de muestreo.
Magnetómetros ópticos bombeados
Magnetómetros ópticos bombeados
Los magnetómetros bombeados ópticamente incluyen 1 magnetómetro nuclear (Helio 3) y cuatro magnetómetros de resonancia electrónica (Helio 4, Rubidio, Cesio y Potasio).
Los magnetómetros de vapor alcalino bombeados ópticamente utilizan metales alcalinos gaseosos de la primera columna de la tabla periódica, como cesio, potasio o rubidio.
Fig. 13: Un diagrama de una celda de vapor de vidrio que contiene metal gaseoso expuesto a luz de una longitud de onda muy específica.
Una celda de vapor de vidrio que contiene metal gaseoso se expone a luz de una longitud de onda muy específica. La frecuencia de la luz se selecciona específicamente y se polariza circularmente para que cada elemento desplace los electrones del nivel 2 del suelo al estado excitado 3. Los electrones en el nivel 3 no son estables y estos electrones decaen espontáneamente a los niveles de energía 1 y 2. Finalmente, el nivel 1 es completamente lleno. Cuando esto sucede, la absorción de luz polarizada se detiene y la celda de vapor se vuelve más transparente.
Entonces entra en juego la despolarización de RF. La potencia de RF correspondiente a la diferencia de energía entre los niveles 1 y 2 se aplica a la celda para mover electrones del nivel 1 al nivel 2 (y la celda se vuelve opaca nuevamente). La frecuencia del campo de RF necesaria para repoblar el nivel 2 varía con el campo magnético ambiental y se denomina frecuencia de Larmor. La despolarización por un campo magnético circular en la frecuencia de Larmor reequilibrará las poblaciones de los dos niveles de la Tierra y la celda de vapor comenzará a absorber más luz polarizada.
El efecto de la polarización y la despolarización es que la intensidad de la luz es modulada por la frecuencia de RF. Detectando la modulación de la luz y midiendo la frecuencia, podemos encontrar un valor del campo magnético.
LULA
LULA
SQUID significa S superconductor QU antum L dispositivo de interferencia D. Son los más sensibles de todos los magnetómetros, pueden detectar hasta 10 – 1,5 T. Funcionan a temperaturas muy bajas, normalmente a 4,2 ° K (helio líquido). También hay SQUID de mayor temperatura y SQUID integrados. Aún así, los SQUID no son tan comunes como otros tipos de sensores; no pueden simplemente sacarse del estante y usarse.
Los SQUID se basan en el llamado cruce Josephson; unión que se forma si dos superconductores están separados por un pequeño espacio aislante (descubierto en 1962 por BD Josephson). Si el aislante entre dos superconductores es lo suficientemente delgado, los electrones superconductores pueden atravesar el aislante. El material base suele ser niobio o una aleación de plomo (90%) y oro (10%).
Hay dos tipos básicos de CALAMAR. SQUID de RF (radiofrecuencia) que tienen solo una unión Josephson y SQUID de CC que generalmente tienen dos uniones. Los DC SQUID son más caros de producir, pero son mucho más sensibles.
La principal dificultad con los SQUID es el requisito de enfriamiento y la masa requerida. Sin embargo, es un sensor extremadamente valioso cuyo coste puede justificarse. Se utiliza exclusivamente en aplicaciones como la magnetoencefalografía. Las mediciones de campos magnéticos muy bajos se realizan en salas blindadas donde se puede eliminar el campo magnético de la Tierra.
Formularios
APLICACIONES DEL MAGNETÓMETRO:
1. Se utilizan con fines de navegación.
dos. Se utilizan en sistemas de frenos antibloqueo de vehículos.
3. Los magnetómetros Fluxgate se han utilizado en misiones espaciales para mediciones de campos magnéticos.
4. Los magnetómetros se utilizan para la exploración minera; Se utiliza para buscar yacimientos de oro, plata, hierro, cobre, etc.
5. Se utilizan en muchas aplicaciones de defensa; UAV, submarinos, etc.
6. Los magnetómetros han encontrado uso en teléfonos inteligentes que tienen aplicaciones que funcionan como brújulas.
7. Y muchos más..
Referencias
GMW, Magnetómetros: una guía completa