Tipos de magnetómetros
Esta guía de alto nivel presenta tipos comunes de magnetómetros, incluidos escalares, vectoriales, degradados y más.
En un artículo anterior, presentamos los conceptos básicos de los magnetómetros y algunas de sus principales aplicaciones. Hoy daremos un paso más y echaremos un vistazo a los tipos de magnetómetros más comunes.
Magnetómetros escalares
Los magnetómetros escalares realizan una medición precisa del valor numérico del campo magnético. Cada tipo se basa en diferentes fenómenos físicos:
- Efecto Hall: Detectar el voltaje inducido a través de un conductor eléctrico cuando se aplica un campo magnético se puede utilizar perfectamente para medir campos magnéticos
- Precesión de protones (PPM): Hacer uso de la resonancia magnética nuclear para medir la resonancia de los protones en el campo magnético, midiendo el voltaje inducido en una bobina debido a su reorientación
- Overhauser: Similar a los magnetómetros de efecto Hall y precesión de protones, pero utilizan señales de radiofrecuencia para polarizar los espines de los electrones
Un magnetómetro Overhauser para aplicaciones geofísicas. Imagen utilizada por cortesía de Gem System
Magnetómetros vectoriales
- Inductivo: Mida el momento dipolar de algunas partículas midiendo la corriente inducida en algunas bobinas de detección después de haber sometido la muestra a un campo magnético variable
- Fluxgate: Compuesto por un núcleo de anillo magnético con al menos dos devanados de bobina:el devanado de accionamiento y el devanado de detección
Bobinados de magnetómetros Fluxgate. Imagen cortesía del Imperial College London
- Efecto Hall: Generar un voltaje proporcional al campo magnético y brindar información sobre su módulo y dirección; ampliamente utilizado para aplicaciones de detección en lugar de caracterizar materiales magnéticos
- Sistema microelectromecánico (MEMS): Detecta el movimiento de una estructura resonante utilizando medios ópticos a escala microscópica
Los magnetómetros MEMS son económicos y accesibles. Imagen utilizada por cortesía de Sparkfun Electronics
Magnetómetros de gradiente
Aunque cada magnetómetro de gradiente es un poco diferente, cada uno tiene aproximadamente los mismos elementos. Primero, requieren un dispositivo para generar un campo magnético conocido, que puede ser alterno o constante. En segundo lugar, los magnetómetros de gradiente requieren una fuente para un campo de gradiente alterno. Finalmente, también requieren un medio electrónico u óptico para detectar y medir la fuerza resultante.
También todos tienen funcionamiento resonante, por lo que las muestras magnéticas se mueven alrededor de su frecuencia resonante cuando se alcanza la amplitud máxima.
Otro aspecto relevante de los magnetómetros es la orientación del campo magnético. En algunos magnetómetros, como el de Zijlstra, el campo alterno y el de CC estaban alineados y orientados verticalmente. Por el contrario, en el magnetómetro de Foner, la muestra vibra perpendicularmente al campo magnético, lo que reduce la complejidad de la configuración necesaria.
Magnetómetro de lengüeta vibrante
Zijlstra introdujo uno de los primeros magnetómetros de gradiente alterno en 1970. Su objetivo era superar la limitación de los magnetómetros anteriores y medir la curva de histéresis completa de los materiales magnéticos.
El magnetómetro de lengüeta consiste en un alambre delgado con una muestra bastante pequeña para caracterizar adherida en su extremo. Hay dos bobinas conectadas en serie en oposición, o acopladas diferencialmente, para crear un gradiente de campo. Este campo crea una fuerza sobre la muestra y, en consecuencia, una vibración de la caña. Dado que el movimiento es muy sutil, la frecuencia se establece igual a la resonancia mecánica de la lengüeta, por lo que el movimiento se amplifica y es más fácil de detectar. El movimiento de la caña se observa con un microscopio y una lámpara estroboscópica. Cuando la corriente a través de las bobinas es constante, también lo es el campo magnético; el movimiento que medimos es proporcional al momento magnético de la muestra.
La diferencia más destacada entre los magnetómetros de Zijlstra y los anteriores es la sensibilidad y también la capacidad de caracterizar completamente los materiales magnéticos. Para tener una caracterización magnética completa, las muestras deben ser muy pequeñas para evitar imperfecciones, el problema es que los magnetómetros capaces de caracterizar muestras con el tamaño de micrones solo pueden caracterizar algunas propiedades magnéticas como la remanencia o la susceptibilidad, pero no el ciclo de histéresis completo. .
Magnetómetros de muestra vibrante (VSM)
La mayoría de los dispositivos que miden el momento magnético tienen una bobina de detección alineada horizontalmente con las bobinas que generan un campo magnético alterno.
Los magnetómetros vibratorios de muestras (VSM), inventados por Foner en 1959, introdujeron la novedad de que el movimiento de la muestra es perpendicular al campo magnético aplicado. Foner redujo la complejidad de la configuración, evitando modificaciones drásticas de los imanes.
Los VSM están presentes en muchos laboratorios y disponibles comercialmente.
Un magnetómetro de muestra vibratorio comercial (VSM). Imagen cortesía de Microsense
Magnetómetros de campo alterno combinados
Existe una tercera categoría de magnetómetros que combina características de los anteriores; son los denominados magnetómetros combinados. Todavía usan dos campos magnéticos; sin embargo, en lugar de aplicar solo un campo alterno y otro constante, aplican dos campos alternos. La mayor ventaja es la caracterización de muestras en CA, así como en CC, en comparación con VSM u otros magnetómetros que se limitan a campos de CC.
Otros magnetómetros generan un campo magnético de frecuencia igual a la frecuencia de resonancia mecánica de la muestra. Los magnetómetros combinados generan dos campos magnéticos cuya diferencia es igual a la frecuencia de resonancia. Dado que uno de los campos magnéticos se puede configurar en 0 Hz, puede funcionar perfectamente como un magnetómetro de gradiente tradicional. Al variar ambas frecuencias, el dispositivo funciona como un susceptómetro, midiendo armónicos de orden superior del momento magnético. Este tipo de magnetómetro fue inventado en 2015 por investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid.
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