МАГНИТОМЕТР

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 совр. 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 (эрстед, мэ,
мкэ, гамма 10⁵ э) и в единицах магнитной индукции СИ (тесла,
мктл, нтл).

Различают М. для измерений абс. значений
характеристик поля и относительных изменений поля в пространстве или во
времени. Последние наз. вариометрами магнитными. М. классифицируют
также по условиям эксплуатации (стационарные, на подвижных платформах и
т. д.), и, наконец, в соответствии с физ. явлениями, положенными в основу
их действия (см. Магнитные измерения).

Магнитостатнческие М. основаны на измерении
механич. момента У, действующего на индикаторный магнит прибора в измеряемом
поле НJ = [М, Н], 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 вспомо-гат. 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 Нможно измерить
абс. величину Н(абс. метод Гаусса). Осн. назначение
магнитостатич. М.- измерение компонент и абс. величины напряжённости геомагнитного
поля (рис. 1), градиента поля, а также магнитных свойств веществ.
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-компонен-ты. 10 - оптическая система
для освещения шкалы.

Электрические М. основаны на сравнении
Н с полем эталонного соленоида Н =
kI, где
k
- постоянная соленоида, определяемая из геометрич. 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, потенциометрич.
системы для измерения тока I и чувствительного датчика - индикатора равенства
полей. Чувствительность М. этого типа 1 мкэ,
осн. 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 ДФ в катушке может
быть связано: а) с изменением величины или направления измеряемого поля
во времени (примеры - индукционные вариометры, флюксметры). Простейший
флюксметр (веберметр) представляет собой баллистич. гальванометр, действующий
в сильно переуспокоенном режиме (G10^-4вб/деление); широко
применяются магнитоэлектрич. веберметры с G 10^-6 еб/деление,
фотоэлектрич. веберметры с G 10^-8вб/деление и др. (подробнее
см. Флюксметр); 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.
У
наиболее чувствительных вибрационных М. G 0,1-1 нтл; в) с изменением
магнитного сопротивления измерит, катушки, что достигается периодич. изменением
магнитной проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается
до насыщения вспомогат. переменным полем возбуждения); действующие по этому
принципу феррозондовые М. имеют G 0,2-1 нтл (см.
Феррозонд).
Индукционные
М. применяются для измерения земного и космич. магнитных полей, технич.
полей, в магнитобиологии и т. д.
Рис. 2. Блок-схема и конструкция
преобразователя вибрационного тесламетра: 1 - измерительная
катушка, укреплённая 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.

Квантовые М.- приборы, основанные на ядерном
магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе,
свободной
прецессии
магнитных
моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и др. квантовых
эффектах. Для наблюдения зависимости частоты w прецессии магнитных моментов
микрочастиц от напряжённости Низм измеряемого поля (w = у * Нгде у - магнитомеханическое отношение)
необходимо создать
макроскопич. магнитный момент ансамбля микрочастиц (ядер или электронов).
В зависимости от способа создания макроскопич. магнитного момента и метода
детектирования сигнала различают: протонные М. (свободной прецессии, с
динамич. поляризацией и с синхронной поляризацией), резонансные М. (электронные
и ядерные), М. с оптич. накачкой и др. (подробнее см. в ст. Квантовый
магнитометр). Квантовые М. применяются для измерения напряжённости
слабых магнитных полей (в т. ч. геомагнитного и магнитного поля в космич.
пространстве), в геологоразведке, в магнето-химии (G до 10^-s-10^-7нтл).
Значит,
меньшую чувствительность (G 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
в
сверхпроводнике, на зависимости от Ндвух 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 электрич. зарядов, движущихся в магнитном поле Нпод 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 Низм); М. на эффекте Гаусса (изменении сопротивления проводника
в поперечном магнитном поле Нтока в вакуумных магнетронах и электроннолучевых трубках (вызванного отклонением
электронов в магнитном поле) и др. 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.
Рис. 3. Принципиальная схема тесламет"
ра, основанного на эффекте Холла (компенсационного типа): Eи Е- резисторы; G - гальванометр, тА - миллиамперметр; ПХ - преобразователь
Холла (полупроводниковая пластинка). Эдс Холла компенсируется падением
напряжения на части калиброванного сопротивления rпротекает постоянный ток.

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., Скрой-кий
Г. В., физические основы квантовой магнитометрии, М., 1972; Instrumenten
und Massenmethoden, в кн.: Geomagnetismus und Aeronomie, Bd 2, В., 1960;
Communications presentees an colloque international champs magnetiques
faibles d'lnteret geophysique et spatial, Paris, 20-23 mai 1969, "Revue
de physique appliquee", 1970, t. 5, № 3. Ш. Ш. Долгинов.