Про магнитометры и измерение магнитного поля

Среди многообразия измерительных приборов существуют такие, измеряющие величины, которые мы можем оценить с помощью своих органов чувств непосредственно, пусть не в цифровом выражении, но во всяком случае видим, слышим или осязаем. Речь идет например об освещении, звуке или тепле.
Но существует ряд полей и излучений электромагнитного спектра (диапазон которого чрезвычайно широк и простирается на несколько порядков, если сравнивать частоты или длины волн), которые мы не способны обнаружить и здесь без специальной измерительной техники не обойтись. Речь идет например о радиации, инфракрасном излучении и магнитных полях.
О последних мы сегодня и поговорим.

Что такое магнитометр

Что измеряет и какие бывают

Уже исходя их названия, понятно, что магнитометр это прибор, измеряющий один из показателей магнитного поля. Например напряженность измеряется в системе СИ в Тесла.

Да, надо признать, что с магнитными измерениями не только в быту, но и в профессиональной деятельности как граждане, так и специалисты встречаются на порядок реже, чем например проверить есть ли напряжение в розетке или соответствует ли влажность норме в помещении.
Почему ? Да потому что источников магнитного поля не так уж и много в нашей обыденной деятельности. На работе или дома, на отдыхе.
Точнее, скажем так - источников сильных магнитных полей, которые могут влиять на наше здоровье или деятельность. А значит и измерять нечего. Нет потребителей для цифр - напряженности магнитного поля. Хотя, справедливости ради, внесем уточнение. Ключевым элементом микроволновки является магнетрон (видите единый корень с магнитометром ?). Но положа руку на сердце, спросим сами себя честно, измеряли ли мы когда-нибудь интенсивность магнитного поля около микроволновой печки ? Да у нас и приборов таких нет. Хотя, если задаться целью, измерить можно все. Купить, изготовить самому - чертежей и схем сейчас хоть отбавляй - рай для самодельщиков. Но мы доверяем производителям. Что они гарантируют нам безопасность. Но конечно же при производстве, уровни всех видов излучаемых полей строго контролируется, чтобы они не превышали пределы, рекомендованные медициной.

Какие же бывают магнитометры ?

В зависимости от того, какой из показателей они измеряют, различают:

• градиентометры (определяют вектор индукции геомагнитного поля);
• веберметры (определяют общий магнитный поток);
• тесламетры (отображают значение магнитной индукции);
• гауссметр (остаточная напряженность постоянных и переменных магнитных полей);
• коэрцитиметр (контроль качества ферромагнитных материалов).

Как видим, не все так просто. И магниты не только встроены в двери холодильника или в электродвигатели детских электрических машинок на батарейках, из которых их извлекали школьники в советское время, чтобы проводить интересные внешкольные эксперименты.

Измерять можно много показателей. Для чего ? Об этом немного ниже по тексту.
Сразу отметим, что существует определенная путаница между терминологией. Причем даже среди экспертов.
Вот например металлодетекторы (а на них очень похожи переносные магнитометры), определяющие металлические объекты в стене или под землей, не относятся напрямую к семейству магнитометров.

А ведь еще тестеры электромагнитных полей, бытовые индикаторы скрытой проводки, детекторы напряжения…

Но мы ведем речь только о подгруппе: приборах, которые реагируют на один из показателей магнитного поля. Не на наличие металла, не на электрическое напряжение, а именно на магнитное поле.
То есть давайте возьмем например такую ситуацию. Отключили свет, что не редкость в последнее время. Опять обратимся к холодильнику. Сегодня он послужит нам в качестве примера не один раз. Электромагнитное поле в квартире отсутствует. А вот магниты в двери не теряют от этого своих магнитных свойств. Намагничены и будут оставаться таковыми долгие годы, плотно притягиваясь, чтобы сохранить холод внутри камеры. И если мы поднесем прибор, измеряющий магнитное поле, то получим значение.
Но по большому счету, это все таки инструмент "для полевых работ". И прежде всего не для такой бесполезной мелочевки, о которой мы сказали, а для измерения напряженности естественного магнитного поля Земли.

Если посмотреть визуально на магнитное поле нашей планеты, то увидим знакомые еще из школьного курса физики входящие и исходящие магнитные линии. Вот такие своеобразные магнитные ладони, которые прикрывают нашу Землю от смертоносных потоков частиц, несущихся из космоса. И даже наше Солнце, дающее живительное тепло всему живому, а в последнее время и энергию для гибридных электрических систем автономного питания потребителей на основе солнечных батарей, давно бы нас испепелило жесткой радиацией, если бы не магнитная защита.

Это такой вот огромный магнит, который находится где-то в недрах планеты. Его формирует расплавленное ядро. Но если брать в масштабах вселенной, Земля-магнит это просто ребенок, карлик по отношению к монстрам магнитного поля, которые скрыты далеко во вселенной. Как и колоссальный Юпитер, второй по размерам после Солнца, со своим мощнейшим магнитным и гравитационным полем. Речь идет о нейтронных звездах, о которых мы скажем ниже.
Но измерять магнитное поле целой Земли это как бы сказать, конечно амбициозная, но по сути малополезная задача. Для практического применения. Такие глобальные вопросы больше интересуют ученых, астрофизиков, а не инженеров и геологов. А вот для последних важнее локальные магнитные аномалии на поверхности Земли. И вот тут без магнетометров не обойтись.
Еще с Советстких времен известна курская природная аномалия, напряженность магнитного поля которой в 3 раза превышать среднюю величину по Земле. Причина заключается в гигантских железно-рудных залежах. Там точно компасом не придется воспользоваться. Будет крутиться случайным образом, как неисправный.
Кстати мы невольно и подошли к одной из области применения магнетометров – поиск залежей руды. Если обследовать район с самолета, или беспилотного аппарата и составить карту распределения магнитных полей на местности, то это серьезная заявка для геологов, чтобы изучать этот район так сказать на земле: провести пробное бурение скважины, отобрать образцы. Поэтому магнитометр это в том числе и прибор для горного дела.

По крайней мере, становится возможным очертить предполагаемые границы территории. А насколько глубоко залежи, это уже конечно больше к геологам. Хотя толщина рудной жилы тоже определяет уровень магнитного поля и даже в этой части магнетометр может сослужить добрую службу.

Соответственно озвучим краткий перечень областей применения магнитометров:

1. Сейсмология.
2. Геология.
3. Археология.
4. Кладоискательство.
5. Военная разведка.
6. Поисковики.
7. Навигация.

Но остаточную намагниченность имеют и другие объекты, не только состоящие из железной руды. Это могут быть древние статуи, старинные фундаменты зданий. Они тоже могут быть обнаружены с помощью магнетометра. Камень, обожженный кирпич, из которого сложены печи прошлого, обладают магнитным потоком.
Кстати почва, снег, лед – все это не преграды для магнитометра. Его могут только “смутить” (в магнитном смысле) только близко расположенные объекты, которые вносят свою лепту в общий показатель магнитного поля. И здесь многое зависит от опыта оператора, который поймет (или нет), что же там скрывается в глубине.

Где еще пригодятся магнитометры ?
Сейсмологи с помощью измерения магнитного поля земли предсказывают землетрясения. Сдвиги тектонических плит, приводящие к встряске (причина землетрясений), генерирующие изменение магнитного поля.
Также анализ магнитного поля позволяет прогнозировать грядущее извержение вулкана (лава внутри его жерла также обладает магнитными свойствами).

Надо отметим, что составление геофизической карты процесс достаточно кропотливый и масштабный. В прямом смысле. Если брать за масштаб 100 метров (и на этом участке измерять магнитометром 1 значение), это имеет смысл, если территория имеет размеры тысяч километров.
Но с другой стороны, можно получить гораздо более точную картину, если масштаб уменьшить до 1 метра. Но это не имеет смысла из-за резкого роста трудозатрат (в 100 раз). Поэтому нужно искать компромисс.
Поскольку магнитное поле влияет на авиацию в небе, в море и даже в космосе, магнитометры понадобятся в авиационной отрасли, на судах и космических кораблях.
В военном деле с помощью анализа уровня магнитного поля можно обнаруживать скрытые объекты – например подводную лодку, в глубине воды.
Как видим, причин измерять магнитное поле объектов на Земле, много.

А в промышленности ?

Виды и принцип действия

Магнитное поле одно, но измерять его характеристики можно, используя разные физические методы. Если брать например популярные измерительные приборы для напряжения, то существуют магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические вольтметры. Так и с магнетометрами. Каждый метод более точный в определенных условиях. Для конкретной задачи.

Магнитостатические

Измерение магнитного поля в лабораторных условиях.
Внутри магнитометра встроен постоянный магнит. Он реагирует на изменение напряженности внешнего магнитное поле. Этот индикаторный магнит - точно откалиброванный.

Магнит находится в подвешенном состоянии на упругой подвеске (тонком стержне), что позволяет ему отклоняться. Подвеска практически без сопротивления позволяет магниту двигаться, что положительно влияет на чувствительность. В результате реакции магнита на силу и направление магнитного поля, он может притягиваться и отталкиваться. То есть магнитное поле приводит к образованию механического момента. А далее это движение легко преобразовать в перемещение стрелки по шкале. Таким образом можно измерить как уровень магнитного поля, так и его направление.
Погрешность метода определяется начальной магнитной напряженностью эталонного магнита прибора и упругостью подвески.

Индукционные

Действуют на принципе электромагнитной индукции - имеют внутри катушку с проволочной обмоткой, через которую протекает постоянный ток от аккумулятора (батареи – источника питания).

Согласно с Законом электромагнитной индукции, вокруг этого проводника возникает магнитное поле, которое взаимодействует с внешними полями, что вызывает механическое движение.

Интересные факты о магнитных полях

Самое мощное магнитное поле на Земле

Его достигли китайские ученые, создав магниты силой в 45,22 тесла. Много ? Приблизительно в 45000 раз мощнее, чем у магнитиков на холодильнике у вас дома (где-то 0,001 тесла). Рекорд достигнут в 2022 году, побив прежнее достижение американцев, которое продержалось довольно долго – с 1999 года. Для создания самых мощных земных полей используется сверхпроводящие кольца и магниты Биттера (или соленоиды Биттера). А затрачиваемая для этого энергия достигает почти 30 МВт.

Большой адронный коллайдер

Внутри этого творения рук человеческих: инженеров и физиков - 27-километрового ускорительного кольца, размещены 1232 дипольных магнита. Они были спроектированы таким образом, чтобы при охлаждении до температуры 1,9 K выдерживать ток 12 килоампер, а например в момент разряда молнии 30-200 КА), что позволило достичь магнитного поля индукции 8,3 тесла.
Но самые сверхмощные магнитные поля, создаваемые в земных условиях, это просто дети, точнее младенцы, по сравнению с магнитными монстрами, скрывающимися во Вселенной.

Магнетары и нейтронные звезды

Анализируя поток рентгеновского излучения, ученые обнаружили нейтронную звезду GRO J1008-57, которая генерирует электромагнитные поля, в десятки миллионов раз превышают все, что создано на Земле. Это так называемый рентгеновский пульсар. Кстати его излучение доходит до Земли, проходясь по нашей планете, как луч маяка. Магнитное поле пульсара достигает 1000 000 000 тесла (!)
И даже эта запредельная цифра не является окончательной. По прогнозам ученых, есть и более мощные магнитные поля, которые генерируют так называемые магнетары, в которых сила индукции достигает 100 млрд. Тесла (!!!)
Наше счастье, что мы живем далеко от таких объектов - ближайшая к нам нейтронная звезда находится на расстоянии 400 световых лет. То есть только сейчас к нам доходит ее свет, излученный во время правления кардинала Ришелье во Франции, что так красочно описал А. Дюма в романе "Три мушкетера".

На борту межпланетных станций

Магнитометры входят в комплект обязательного оборудования межпланетных станций и спускаемых аппаратов. Речь идет как об измерении магнитного поля Земли, так и других планет, спутников и астероидов.
Вот несколько примеров. Японская межпланетная станция Хаябуса-2, выполнившая исключительно технически сложную и дерзкую миссию по посадке на астероид Рюгу (между Землей и Марсом), сбор его материала и возврат капсулы на землю для анализа (успешно приземлилась 5 декабря 2020 года), имела в своем составе спектрометр и магнетометр для измерения магнитного поля астероида.

Также магнитометрами оснащены китайский марсоход "Чжужун" и американский "Curiosity". Магнетометрами комплектовались советские межпланетные станции, исследовавшие атмосферу и совершавшие посадки на поверхность Венеры в 70-х годах прошлого века.

NLAW

Это уже реальность наших дней. Шведский переносной противотанковый комплекс уничтожает бронированные машины на дистанции до 800 метров. Эти грозные пусковые установки со смертоносными ракетами несут службу в ВСУ, срывая башни у российских танков. Особенностью данного оружия является магнитный датчик. В момент пролета над целью, на высоте около 1 метра, магнит реагирует на большое скопление металла и за счет направленного взрыва, прожигается броня до 500 мм, отправляя послушать концерт Кобзона, очередной танковый экипаж.

Чтобы откалиброванный магнитный датчик срабатывал, кумулятивная боеголовка взрывалась точно над целью и самое главное - вовремя, также не обойтись без измерений и расчетов.
Кстати NLAW стал столь популярным и эффективным, в значительной мере за счет того, что показал свои лучшие (разрушительные !) стороны в Украине в руках наших воинов, в результате чего производитель концерн SAAB собирается удвоить его производство в 2023 году. Поскольку перечень стран - желающих его поставить себе на вооружение, ощутимо расширился.