Магнитометр

Магнито́метр

(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 = 105э) 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 ~ 1 нтл); б) с моментом силы тяжести (Магнитные весы с G ~ 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 ~ 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 ~ 10-4вб/деление); широко применяются магнитоэлектрические веберметры с G ~ 10-6вб/деление, фотоэлектрические веберметры с G ~ 10-8вб/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 ~ 10-4тл. У наиболее чувствительных вибрационных М. G ~ 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 ~ 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—10-7нтл). Значительно меньшую чувствительность (G ~ 10-5тл) 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 ~ 10-5нтл (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—10-5тл, 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. ~ 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.