Про магнітометри та вимірювання магнітного поля

Серед різноманіття вимірювальних приладів існують такі, що вимірюють величини, які ми можемо оцінити за допомогою своїх органів почуттів безпосередньо, нехай не в цифровому виразі, але принаймні бачимо чуємо, бачимо або відчуваємо. Йдеться наприклад про освітлення, звук або тепло.
Але існує ряд полів та випромінювань електромагнітного спектру (діапазон якого надзвичайно широкий і простягається на кілька порядків, якщо порівнювати частоти чи довжини хвиль), які ми не здатні виявити і тут без спеціальної вимірювальної техніки не обійтись. Йдеться наприклад про радіацію, інфрачервоне випромінювання та магнітні поля.
Про останні ми сьогодні й поговоримо.

Що таке магнітометр

Що вимірює та які бувають

Вже виходячи з назви, зрозуміло, що магнітометр це прилад, що вимірює один з показників магнітного поля. Наприклад напруженість вимірюється в системі СІ в Тесла.

Так, треба визнати, що з магнітними вимірами не тільки в побуті, а й у професійній діяльності як громадяни, так і фахівці зустрічаються на порядок рідше, ніж наприклад перевірити чи є напруга в розетці або чи відповідає вологість нормі в приміщенні.
Чому? Та тому що джерел магнітного поля не так і багато в нашій повсякденній діяльності. На роботі чи вдома, на відпочинку.
Точніше, скажімо так – джерел сильних магнітних полів, які можуть впливати на наше здоров'я чи діяльність. А значить, і вимірювати нічого. Немає споживачів для цифр – напруженості магнітного поля. Хоча, заради справедливості, внесемо уточнення. Ключовим елементом мікрохвильової печі є магнетрон (бачите єдиний корінь з магнітометром ?). Але поклавши руку на серце, запитаємо самі себе чесно, чи вимірювали ми колись інтенсивність магнітного поля біля мікрохвильової печі? Та в нас і таких приладів немає. Хоча, якщо поставити собі за мету, виміряти можна все. Купити, виготовити самому – креслень та електронних схем зараз хоч відбавляй – рай для саморобників. Але ми довіряємо виробникам. Що вони гарантують нам безпеку. Але звичайно ж при виробництві, рівні всіх видів випромінюваних полів строго контролюються, щоб вони не перевищували межі, рекомендовані медициною.

Які ж бувають магнітометри ?

Залежно від того, який із показників вони вимірюють, розрізняють:

• градієнтометри (визначають вектор індукції геомагнітного поля);
• веберметри (визначають загальний магнітний потік);
• тесламетри (відображають значення магнітної індукції);
• гаусметр (залишкова напруженість постійних та змінних магнітних полів);
• коерцитиметр (контроль якості феромагнітних матеріалів).

Як бачимо, не все так просто. І магніти не лише вбудовані у двері холодильника чи електродвигуни дитячих електричних машинок на батарейках, з яких їх витягували школярі за радянських часів, щоб проводити фізичні домашні досліди.

Вимірювати можна багато показників. Для чого ? Про це трохи нижче за текстом.
Відразу зазначимо, що є певна плутанина між термінологією. І навіть серед експертів.
Ось, наприклад, металодетектори (а на них дуже схожі переносні магнітометри), що визначають металеві об'єкти в стіні або під землею, не відносяться безпосередньо до сімейства магнітометрів.

А ще тестери електромагнітних полів, побутові індикатори прихованої проводки, детектори напруги…

Але ми ведемо мову лише про підгрупу: прилади, які реагують на один із показників магнітного поля. Не на наявність металу, не на електричну напругу, а саме на магнітне поле.
Тобто давайте візьмемо, наприклад, таку ситуацію. Вимкнули світло, що не рідкість останнім часом. Знову звернемося до холодильника. Сьогодні він послужить нам як приклад неодноразово. Електромагнітне поле у квартирі відсутнє. А ось магніти у двері не втрачають від цього своїх магнітних властивостей. Намагнічені і залишатимуться такими довгі роки, щільно притягуючись, щоб зберегти холод усередині холодильної камери. І якщо ми піднесемо прилад, який вимірює магнітне поле, то отримаємо значення.
Але за великим рахунком, це все ж таки інструмент "для польових робіт". І насамперед не для такого дріб'язку, про який ми сказали, а для вимірювання напруженості природного магнітного поля Землі.

Якщо візуально подивитися на магнітне поле нашої планети, то побачимо знайомі ще зі шкільного курсу фізики вхідні та вихідні магнітні лінії. Ось такі своєрідні магнітні долоні, які прикривають нашу Землю від смертоносних потоків частинок, що несуть із космосу. І навіть наше Сонце, що дає життєдайне тепло всьому живому, а останнім часом і енергію для гібридних електричних систем автономного живлення споживачів на основі сонячних батарей, давно б нас спопелило жорсткою радіацією, якби не магнітний захист.

Це такий величезний магніт, який знаходиться десь у надрах планети. Його формує розплавлене ядро. Але якщо брати в масштабах всесвіту, Земля-магніт це просто дитина, карлик по відношенню до монстрів магнітного поля, які приховані далеко у всесвіті. Як і колосальний Юпітер, другий за розмірами після Сонця, зі своїм найпотужнішим магнітним та гравітаційним полем. Йдеться про нейтронні зірки, про які ми скажемо нижче.
Але вимірювати магнітне поле цілої Землі це сказати, звичайно амбітне, але по суті малокорисне завдання. Для практичного застосування. Такі глобальні питання більше цікавлять вчених, астрофізиків, а не інженерів та геологів. А ось для останніх важливіші локальні магнітні аномалії на поверхні Землі. І тут без магнетометрів не обійтися.
Ще з Радянських часів відома курська природна аномалія, напруженість магнітного поля якої в 3 рази перевищуватиме середню величину по Землі. Причина полягає в гігантських залізно-рудних покладах. Там точно компасом не доведеться користуватися. Крутитиметься випадковим чином, як несправний.
До речі ми мимоволі і підійшли до однієї з сфер застосування магнетометрів – пошук покладів руди. Якщо обстежити район з літака, або безпілотного апарату і скласти карту розподілу магнітних полів на місцевості, то це серйозна заявка для геологів, щоб вивчати цей район так би мовити на землі: провести пробне буріння свердловини, відібрати зразки. Тобто магнітометр це прилад у тому числі для горної справи.

Принаймні стає можливим окреслити передбачувані межі території. А наскільки глибоко поклади, це вже, звичайно, більше до геологів. Хоча товщина рудної жили теж визначає рівень магнітного поля і навіть у цій частині магнетометр може бути гарним помічником - "радником".

Відповідно озвучимо короткий перелік областей застосування магнітометрів:

1. Сейсмологія.
2. Геологія.
3. Археологія.
4. Пошук скарбів.
5. Військова розвідка.
6. Пошукачі.
7. Навігація.

Але залишкову намагніченість мають й інші об'єкти, що не тільки складаються із залізняку. Це можуть бути стародавні скульптури, старовинні фундаменти будівель. Вони також можуть бути знайдені за допомогою магнітометра. Камінь, обпалена цегла, з якої складені печі минулого, мають магнітний поток.
До речі, грунт, сніг, лід – усе це перешкоди для магнітометра. Його можуть тільки “збентежити” (в магнітному сенсі) тільки близько розташовані об'єкти, які вносять свій внесок у загальний показник магнітного поля. І тут багато залежить від досвіду оператора, який зрозуміє (чи ні), що там ховається в глибині.

Де ще знадобляться магнітометри?
Сейсмологи за допомогою вимірювання магнітного поля землі передбачають землетруси. Зрушення тектонічних плит, що призводять до струсу (причина землетрусів), що генерують зміну магнітного поля.
Також аналіз магнітного поля дозволяє прогнозувати майбутнє виверження вулкана (лава всередині його жерла також має магнітні властивості).

Слід зазначити, що складання геофізичної карти процес досить копіткий і масштабний. В прямому сенсі. Якщо брати за масштаб 100 метрів (і на цій ділянці вимірювати магнітометром 1 значення), це має сенс, якщо територія має розміри тисяч кілометрів.
Але з іншого боку, можна отримати набагато точнішу картину, якщо масштаб зменшити до 1 метра. Але це не має сенсу через різке зростання трудовитрат (у 100 разів). Тому потрібно шукати компроміс.
Оскільки магнітне поле впливає на авіацію в небі, в морі та навіть у космосі, магнітометри знадобляться в авіаційній галузі, на суднах та космічних кораблях.
У військовій справі за допомогою аналізу рівня магнітного поля можна виявляти приховані об'єкти – наприклад підводний човен, у глибині води.
Як бачимо, причин вимірювати магнітне поле об'єктів на Землі багато.

А в промисловості ?

Види і принцип дії

Магнітне поле одне, але вимірювати його характеристики можна за допомогою різних фізичних методів. Якщо брати, наприклад, популярні вимірювальні прилади для напруги, то існують магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні вольтметри. Так само і з магнітометрами. Кожен метод точніший у певних умовах. Для конкретного завдання.

Магнітостатичні

Вимірювання магнітного поля у лабораторних умовах.
Усередині магнітометра вбудовано постійний магніт. Він реагує зміну напруженості зовнішнього магнітне поле. Цей індикаторний магніт - точно відкалібрований.

Магніт знаходиться у підвішеному стані на пружній підвісці (тонкому стрижні), що дозволяє йому відхилятися. Підвіска практично без опору дозволяє рухатися магніту, що позитивно впливає на чутливість. В результаті реакції магніту на силу та напрямок магнітного поля, він може притягуватися та відштовхуватися. Тобто магнітне поле призводить до утворення механічного моменту. А далі цей рух легко перетворити на переміщення стрілки за шкалою. Таким чином, можна виміряти як рівень магнітного поля, так і його напрямок.
Похибка методу визначається початковою магнітною напруженістю еталонного магніту приладу та пружністю підвіски.

Індукційні

Діють на принципі електромагнітної індукції - мають усередині котушку з дротяною обмоткою, через яку протікає постійний струм від акумулятора (батареї - джерела живлення).

Згідно із Законом електромагнітної індукції, навколо цього провідника виникає магнітне поле, яке взаємодіє із зовнішніми полями, що спричиняє механічний рух.

Цікаві факти про магнітні поля

Найпотужніше магнітне поле на Землі

Його досягли китайські вчені, створивши магніти силою 45,22 тесла. Багато? Приблизно в 45000 разів потужніше, ніж у магнітиків на холодильнику у вас вдома (десь 0,001 тесла). Рекорд досягнуто в 2022 році, побивши колишнє досягнення американців, яке протрималося досить довго - з 1999 року. Для створення найпотужніших земних полів використовується надпровідні кільця та магніти Біттера (або соленоїди Біттера). А енергія, що витрачається для цього, досягає майже 30 МВт.

Великий адронний колайдер

Усередині цього творіння рук людських: інженерів та фізиків - 27-кілометрового прискорювального кільця, розміщено 1232 дипольні магніти. Вони були спроектовані таким чином, щоб при охолодженні до температури 1,9 K витримувати струм 12 кілоампер, а наприклад, в момент розряду блискавки 30-200 КА, що дозволило досягти магнітного поля індукції 8,3 тесла.
Але найпотужніші магнітні поля, створювані в земних умовах, це просто діти, точніше немовлята, порівняно з магнітними монстрами, що ховаються у Всесвіті.

Магнетари та нейтронні зірки

Аналізуючи потік рентгенівського випромінювання, вчені виявили нейтронну зірку GRO J1008-57, яка генерує електромагнітні поля, що в десятки мільйонів разів перевищують усе, що створено на Землі. Це так званий рентгенівський пульсар. До речі, його випромінювання доходить до Землі, проходячи по нашій планеті, як промінь маяка. Магнітне поле пульсара досягає 1000000000 тесла (!)
І навіть ця позамежна цифра не є остаточною. За прогнозами вчених, є й потужніші магнітні поля, які генерують звані магнетари, у яких сила індукції сягає 100 млрд. Тесла (!!!)
Наше щастя, що ми живемо далеко від таких об'єктів – найближча до нас нейтронна зірка знаходиться на відстані 400 світлових років. Тобто тільки зараз до нас доходить її світло, випромінюване під час правління кардинала Рішельє у Франції, що так яскраво описав О. Дюма в романі "Три мушкетери".

На борту міжпланетних станцій

Магнітометри входять в комплект обов'язкового обладнання міжпланетних станцій і апаратів, що спускаються. Йдеться як про вимір магнітного поля Землі, так і інших планет, супутників та астероїдів.
Ось кілька прикладів. Японська міжпланетна станція Хаябуса-2, яка виконала виключно технічно складну і зухвалу місію з посадки на астероїд Рюгу (між Землею та Марсом), збирання його матеріалу та повернення капсули на землю для аналізу (успішно приземлилася 5 грудня 2020 року), мала у своєму складі спектрометр та магнітометр для вимірювання магнітного поля астероїда. Яке, до речі, зовсім невелике, тому що космічний об'ект лише 900 м в діаметрі. 

Також магнітометрами оснащені китайський марсохід "Чжужун" та американський "Curiosity". Магнітометрами комплектувалися радянські міжпланетні станції, які досліджували атмосферу і здійснювали посадки на поверхню Венери в 70-х роках минулого століття.

NLAW

Це вже дійсність наших днів. Шведський переносний протитанковий комплекс знищує броньовані машини на дистанції до 800 метрів. Ці грізні пускові установки зі смертоносними ракетами несуть службу у ЗСУ, зриваючи башти у російських танків. Особливістю даної зброї є магнітний датчик. У момент прольоту над метою на висоті близько 1 метра магніт реагує на велике скупчення металу і за рахунок спрямованого вибуху пропалюється броня до 500 мм, відправляючи у кращий світ черговий танковий екіпаж.

Щоб відкалібрований магнітний датчик спрацьовував, кумулятивна боєголовка вибухала точно над метою та найголовніше - вчасно, також не обійтися без вимірів та розрахунків.
До речі, NLAW став настільки популярним і ефективним, значною мірою за рахунок того, що показав свої найкращі (руйнівні !) сторони в Україні в руках наших воїнів, внаслідок чого виробник концерн SAAB збирається подвоїти його виробництво у 2023 році. Оскільки перелік країн - бажаючих поставити собі на озброєння, відчутно розширився.