Tipos de Magnetómetros: Desde Escalares hasta Dispositivos Avanzados de Muestra Vibratoria

Guía completa sobre los tipos más comunes de magnetómetros – escalares, vectoriales, de gradiente e instrumentos avanzados de muestra vibratoria.

Basándonos en nuestra introducción previa a los magnetómetros y sus aplicaciones clave, este artículo profundiza en las tecnologías específicas que permiten la medición precisa de campos magnéticos en una amplia gama de entornos científicos e industriales.

Magnetómetros Escalares

Los instrumentos escalares entregan un único valor numérico de la magnitud del campo magnético, independientemente de su dirección. Sus principios de operación difieren, pero todos se basan en fenómenos físicos bien establecidos:

• Efecto Hall: Mide el voltaje inducido a través de un conductor expuesto a un campo magnético, ofreciendo alta precisión y respuesta rápida.
• Precesión de Protones (PPM): Utiliza la resonancia magnética nuclear de protones; la frecuencia de precesión induce un voltaje en una bobina que refleja directamente la intensidad del campo.
• Overhauser: Similar a Hall y PPM, pero emplea señales de radiofrecuencia para polarizar espines electrónicos, aumentando la sensibilidad para prospección geofísica.

Magnetómetro Overhauser para aplicaciones geofísicas. Imagen cortesía de Gem System.

Magnetómetros Vectoriales

• Inductivos: Determinan el momento dipolar de una muestra midiendo la corriente inducida en bobinas de detección tras aplicar un campo variable en el tiempo.
• Fluxgate: Presentan un núcleo de anillo magnético con bobinas de excitación y detección, proporcionando componentes vectoriales de alta resolución.

Bobinas de magnetómetro fluxgate. Imagen cortesía del Imperial College London.

• Efecto Hall: Genera un voltaje proporcional a la magnitud y dirección del campo; preferido en aplicaciones de sensores sobre caracterización de materiales.
• Sistemas Microelectromecánicos (MEMS): Detectan el movimiento de una microestructura resonante ópticamente, permitiendo detección vectorial compacta y rentable.

Los magnetómetros MEMS son baratos y accesibles. Imagen cortesía de Sparkfun Electronics.

Magnetómetros de Gradiente

Los dispositivos de gradiente comparten componentes comunes: una fuente de campo calibrada (alterna o constante), un generador de campo de gradiente alterno y un sistema de detección –electrónico u óptico– para medir la fuerza inducida. Todos operan en resonancia, impulsando la muestra cerca de su frecuencia natural para maximizar la amplitud de la señal.

La orientación juega un papel clave: por ejemplo, el diseño de Zijlstra alinea ambos campos AC y DC verticalmente, mientras que la configuración de Foner vibra la muestra perpendicularmente, simplificando el aparato.

Magnetómetro de Caña Vibratoria

Introducido por Zijlstra en 1970, la caña vibratoria fue el primer instrumento de gradiente alterno capaz de mapear el ciclo de histéresis completo de un material. Un alambre delgado (la “caña”) sostiene una muestra minúscula en su punta. Dos bobinas en oposición serie crean un gradiente de campo que ejerce una fuerza haciendo vibrar la caña en su resonancia mecánica. La amplitud de vibración, observada mediante microscopio y estroboscopio, refleja directamente el momento magnético de la muestra.

Su alta capacidad de caracterización completa requiere muestras extremadamente pequeñas; especímenes mayores limitan el método a medir remanencia o susceptibilidad en lugar del ciclo de histéresis completo.

Magnetómetros de Muestra Vibratoria (VSM)

Inventados por Foner en 1959, los VSM fueron pioneros en el movimiento perpendicular de la muestra respecto al campo magnético aplicado, reduciendo la complejidad del montaje al evitar modificaciones en el sistema de imanes. Hoy, los VSM son ubicuos en laboratorios de investigación y están disponibles comercialmente.

Magnetómetro de muestra vibratoria (VSM) comercial. Imagen cortesía de Microsense.

Magnetómetros de Campo Alterno Combinados

Estos instrumentos híbridos fusionan características de dispositivos escalares, vectoriales y de gradiente al aplicar dos campos magnéticos alternos en lugar de uno AC y uno DC. Este enfoque permite caracterización simultánea AC y DC, capturando armónicos de alto orden del momento magnético.

A diferencia de los magnetómetros de gradiente convencionales, que dependen de una única frecuencia de resonancia, los sistemas combinados fijan un campo a 0 Hz, funcionando como dispositivo de gradiente tradicional cuando se necesita. Desarrollados en 2015 por investigadores de la Universidad Técnica de Madrid, esta tecnología extiende las capacidades de medición a materiales magnéticos complejos.