МАГНИТОМЕТР

Прибор для измерения хар-к магнитного поля и магн. св-в физ. объектов. М. различают по назначению, принципу действия и условиям эксплуатации.

При классификации по назначению выделяют две группы М. К первой, наиболее разветвлённой, относят приборы для измерения осн. хар-к магн. поля: напряжённости Н (в А/м или Э), индукции В (в Тл или Гс), магн. потока Ф (в Вб или Мкс); ко второй — приборы для измерения магн. св-в материалов и горных пород.

Помимо обобщающего наименования «М.», традиционного для 1-й группы приборов, нек-рые из них наз. в соответствии с наименованием единицы измеряемой величины (преим. Международной системы единиц), напр. тесламетр (реже гауссметр), веберметр.

К осн. хар-кам магн. поля, к-рые измеряют М. 1-й группы, относятся: абс. значение (модуль) вектора поля (Н или В), абс. значения составляющих (проекций) вектора поля в геомагнитной или др. системе координат (см. ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ), направление вектора поля или его проекций (приборы, компас, буссоль, магн. теодолит, инклинатор, деклинатор, векторный М.), относит. изменения поля во времени (магн. вариометры) и пр-ве (градиентометры или дифференциальные М.).

М. 2-й группы измеряют след магн. св-ва горных пород и магн материалов: магнитный момент M (А•м2), намагниченность J (А/м), магнитную восприимчивость c (каппа-метр), магн. проницаемость m (мюметр), зависимости J(H) и В(Н) (см. НАМАГНИЧИВАНИЯ КРИВЫЕ), коэрцитивную силу Hс, потери на гистерезис и т. п.

По принципу действия М. подразделяют на неск. типов. М а г н и т о с т а т и ч е с к и е М.— приборы, основанные на вз-ствии измеряемого магн. ноля Hизм с постоянным (индикаторным) магнитом, имеющим магн. момент М. В поле Низм на магнит действует механич. момент I=(МНизм). Момент в М. разл. конструкции уравновешивается: а) моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые М. и универс. магн. вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью G = 1 нТл); б) моментом силы тяжести (магнитные весы с G=10 —15 нТл), в) моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определ. положении (оси индикаторного и вспомогат. магнитов в положении равновесия перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогат. магнита в поле .Низм, можно измерить абс. величину Низм (абс. метод Гаусса).

Рис. 1. Схема кварцевого магнитометра для измерения вертикальной составляющей (Z) напряжённости геомагн. поля: 1 — оптич. система зрит. трубы; 2 — оборотная призма для совмещения шкалы 9 с полем зрения; 3 — магниточувствит. система (пост. магнит на кварцевой растяжке 5); 4 — зеркало; 6 — магнит для частичной компенсации геомагн. поля (изменения диапазона прибора); 7 — кварцевая рамка; 8 — измерит. магнит (по углу его поворота определяют Z); 10 — система освещения шкалы.

М. этого типа имеют, как правило, только одну плоскость вращения пост. магнита (вертикальную или горизонтальную) и применяются для измерения соответствующей компоненты поля — обычно компоненты X, Y или Z, напряжённости геомагн. поля (рис. 1), а также для измерения градиента поля и абс. величины Н.

Модификации магнитостатич. М. с двумя параллельными магнитами на одной нити подвеса (астатич. системы) применяются также для измерения магн. св-в земных пород и магн. материалов.

Электрические М. основаны на сравнении Низм с полем эталонной катушки Н=ki, где k — постоянная катушки, определяемая из её геом. и конструктивных параметров, i — измеряемый ток. Электрич. М. состоят из компаратора для измерения размеров катушки и её обмотки, теодолита для точной ориентации оси катушки по направлению измеряемой компоненты поля, потенциометрич. системы для измерения тока i и чувствит. датчика — индикатора равенства полей. Чувствительность М. этого типа = 1 мкЭ, осн. область их применения — измерение горизонт. и вертик. составляющих геомагн. поля. Индукционные М. основаны на явлении электромагнитной индукции — возникновении эдс в измерит. катушке при изменении проходящего сквозь её контур магн. потока Ф. Изменение потока DФ в катушке может быть связано: а) с изменением величины или направления измеряемого поля во времени (приборы: индукц. вариометры, флюксметры). Простейший флюксметр (веберметр) представляет собой баллистический гальванометр, действующий в сильно переуспокоенном режиме (G = 10-4 Вб/дел); применяются магнитоэлектрич. веберметры с G =10-6 Вб/дел, фотоэлектрич. веберметры с G = 10-8 Вб/дел и др.; б) с периодич. изменением положения (вращением, колебанием) измерит. катушки в измеряемом поле (рис. 2). Простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G=10-4 Тл.

Рис. 2. Блок-схема и конструкция преобразователя вибрац. тесламетра: 1 — измерит. катушка, укреплённая на торце пьезокристалла 2 (вибратора); 3 — зажим для крепления пьезокриоталла; 4 — усилитель сигнала; сигнал детектируется и измеряется прибором 5 магнитоэлектрич. системы; в — генератор эл.-магн. колебаний; 7 — источник питания.

У наиболее чувствительных вибрационных М. G = 0,1 — 1 нТл; в) с изменением магнитного сопротивления измерит. катушки, что достигается периодич. изменением магн. проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается до насыщения вспомогательным перем. полем возбуждения). Действующие по этому принципу феррозондовые М. имеют G = 0,2 — 1 нТл (см. ФЕРРОЗОНД). Индукционные М. применяются для измерения магн. полей Земли и др. планет, техн. полей, в магнитобиологии и т. д.

Квантовые М.— приборы, основанные на ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе, свободной прецессии магн. моментов ядер или эл-нов во внеш. магн. поле, Мейснера эффекте, Джозефсона эффекте и др. эффектах. Для наблюдения зависимости частоты w прецессии магн. моментов микрочастиц от Hизм (w=gHизм, где g — магнитомеханическое отношение) необходимо создать макроскопич. магн. момент ансамбля микрочастиц — ядер или эл-нов (см. СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТОМЕТР). Квант. М. применяются для измерения напряжённости слабых магн. полей (в т. ч. геомагн. и магн. поля в косм. пр-ве), в геологоразведке, в магнетохимии, в биофизике (G до 10-5—10-7 нТл). Значительно меньшую чувствительность (G=10-5 Тл) имеют квант. М. для измерения сильных магн. полей.

Гальваномагнитные М. основаны на явлении искривления траектории электрич. зарядов, движущихся в магн. поле Hизм, под действием Лоренца силы (см. ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ). К этой группе М. относятся: М. на Холла эффекте (возникновении между гранями проводящей пластинки разности потенциалов, пропорциональной протекающему току и Hизм), М. на эффекте Гаусса (изменении сопротивления проводника в поперечном магн. поле Hизм), М. на явлении падения анодного тока в магнетронах и электроннолучевых трубках (вызванного искривлением траектории эл-нов в магн. поле) и др.

Рис. 3. Принципиальная схема тесламетра, основанного на эффекте Холла (компенсац. типа): E1 и E2 — источники пост. тока; r1 и r2 — резисторы; G — гальванометр; тА — миллиамперметр; ПХ — преобразователь Холла (ПП пластинка). Эдс Холла компенсируется падением напряжения на части калиброванного сопротивления r2, через к-рое протекает пост. ток.

На эффекте Холла основано действие различного рода тесламетров для измерения пост., перем. и импульсных магн. полей (с G =10-4—10-5 Тл, рис. 3); градиентометров и приборов для исследования магн. с-в материалов. Чувствительность G тесламетров, работающих на основе эффекта Гаусса, достигает 10 мкВ/Тл; у электронно-вакуумных М. G = 30 нТл.

Существуют также М. экспериментального, прикладного и демонстрац. хар-ра, работа к-рых основана на изменении длины намагниченного стержня (см. МАГНИТОСТРИКЦИЯ), на вращении плоскости поляризации света (см. МАГНИТООПТИКА, ФАРАДЕЯ ЭФФЕКТ, КЕРРА ЭФФЕКТ) и т. д. М. каждого из указанных типов дополнительно различаются по осн. показателям: диапазону измерений, чувствительности, погрешности, скорости и способу отсчёта и т. д., а также по условиям эксплуатации. В частности, разработаны многочисл. типы М. для измерения магн. поля в условиях морской и аэромагн. съёмки, в околоземном и межпланетном косм. пр-ве.