Magnetomeeter

Magnetomeeter või magnetiline andur on magnetvälja ja magneetumise mõõtmise seade. Sõltuvalt tüübist on selle abil võimalik mõõta magnetvälja suunda, tugevust ja muutu ruumipunktis. Magnetomeetreid saab kasutada elektro- ja püsimagnetite kalibreerimiseks. Väga lihtne magnetomeeter on kompass, mille nõel näitab magnetvälja suunda.
Esimese absoluutset magnetvälja tugevust mõõtva magnetomeetri leiutas Carl Friedrich Gauss 1832. aastal. Olulised arengud magnetomeetrite ehituses leidsid aset 19. sajandil, nende hulgas Halli efekti avastamine, mida kasutatakse laialdaselt ka tänapäeval.
Laialdast kasutust leiab magnetomeeter Maa magnetvälja omaduste uurimisel ja geofüüsilistes uuringutes.
Magnetomeetrit saab kasutada ka metallidetektorina. Kuigi nendega on võimalik tuvastada ainult raudmetalle, siis on magnetomeetrite tundlikkus palju parem kui traditsioonilistel metallidetektoritel. Kommertsiaalsed magnetomeetrid suudavad suuri mustmetallist esemeid nagu autod ja mahutid leida üle kümne meetri sügavuselt maa alt, metallidetektorid harva üle kahe meetri. Nende abil on võimalik meres leida allveelaevu, mistõttu on suure tundlikkusega magnetomeetrid mõnedes riikides klassifitseeritud militaartehnoloogiaks.
Lähiminevikus on magnetomeetrid mõõtmetelt vähenenud ning mahuvad mikroskeemi pakendisse, mistõttu on langenud ka nende hind ning paranenud kättesaadavus väiksemõõtmeliste kompassidena, mis põhinevad elektromehaanilistel mikrosüsteemidel.

Magnetväljad

Magnetväljad on vektoriaalsed suurused, mis tähendab, et neil on nii suund kui ka tugevus. Magnetilist induktsiooni mõõdetakse SI-ühikutes teslades, CGS-süsteemis kasutatakse gausse, seejuures 10 000 gaussi on üks tesla. Magnetvälja tugevuse ühikuks on SI-süsteemis amper meetri kohta (A/m) ja CGS-süsteemis örsted (Oe). Magnetvälja tugevus on vektor, mis iseloomustab magnetvälja väärtust ühes ruumipunktis.
Maa magnetvälja mõõdetakse tavaliselt nanoteslades (nT), mida nimetatakse vahel ka gammaks. Sõltuvalt asukohast varieerub Maa magnetväli vahemikus 20 000 – 80 000 nT, kõikumine jääb tavaliselt 100 nT suurusjärku. Magnetilised anomaaliad võivad toimuda pikotesla (pT) piirkonnas.
Gaussmeetrid ja teslameetrid on magnetomeetrid, mis mõõdavad magnetilist induktsiooni vastavalt gaussides ja teslades. Sõltuvalt kontekstist nimetatakse aparaate, mis mõõdavad väljatugevusi alla ühe millitesla, magnetomeetriteks ning gaussmeetriteks aparaate, mis mõõdavad sellest suuremaid väljatugevusi.

Varajased magnetomeetrid

Magnetkompass, mis koosneb magneetunud nõelast, mille suund pöördub vastavalt teda ümbritsevale magnetväljale, on lihtne magnetomeeter. Võnkesagedus, millega nõel hakkab tasakaalupunkti ümber võnkuma on võrdeline ruutjuurega selles sihis mõjuvast magnetväljast.
1832. aastal avaldas Göttingeni Geomagnetilise Observatooriumi juhataja Carl Friedrich Gauss artikli Maa magnetvälja mõõtmiste teemal. See kirjeldas uut instrumenti, mis koosnes kullast kiu küljes rippuvast horisontaalsest püsimagnetilisest vardast. Magneeditud ja demagneeditud varda võnkumiste erinevusest arvutas ta esimest korda Maa magnetvälja absoluutse tugevuse.
Ühik gauss, mis on CGS ühik magnetvoo tiheduse (maksvell ruutsentimeetri kohta) jaoks, on nimetatud C. F. Gaussi auks ja võrdub 1×10⁻⁴ teslaga SI ühikutes.
Francis Ronalds ja Charles Brooke leiutasid kumbki iseseisvalt magnetograafi 1846. aastal, mis salvestas magnetite liikumist fotograafia abil ning seeläbi kergendas vaatlejate tööd.

Laboratoorsed magnetomeetrid

Laboratoorsed magnetomeetrid mõõdavad uuritava materjali magneetumust ehk magnetmomenti. Erinevalt vaatlusmagnetomeetritest nõuavad laboratoorsed magnetomeetrid tavaliselt proovid paigutamist aparaadi sisse. Sellistes instrumentides saab tihti kontrollida ka proovi temperatuuri, mõjuvat magnetvälja ning muid parameetreid. Katsekeha magneetumus sõltub põhiliselt paardumata elektronidest aatomis, väiksemat mõju omavad ka tuuma magnetmoment ja Larmori diamagnetism. Magnetmomendid klassifitseeritakse peamiselt diamagneetikuteks, paramagneetikuteks, ferromagneetikuteks või antiferromagneetikuteks.

Prootoni pretsessiooni magnetomeeter

Prootoni pretsessiooni magnetomeetrid, mida nimetatakse ka lihtsalt prootoni magnetomeetriteks, mõõdavad prootonite resonantssagedust magnetväljas, mis tekib tuumamagnetresonantsi tõttu. Kuna pretsessioonisagedus sõltub rangelt ainult atomaarsetest konstantidest ja ümbritsevast magnetväljast, siis saavutatakse sllise magnetomeetriga täpsusi kuni 1 ppm.
Sellises magnetomeetris liigub alalisvool läbi solenoidi, mis tekitab vesinikurikka vedeliku (tihti petrooleum või dekaan) ümber tugeva magnetvälja, mis omakorda põhjustab osade prootonite joondumist solenoidi magnetvälja vektoriga. Kui elektrivool solenoidis katkestatakse ning prootonid hakkavad ennast ümbritseva magnetvälja suunas orienteerima, hakkavad nad võnkuma uue tasakaaluoleku ümber diskreetse sagedusega, mis sõltub ümbritseva magnetvälja tugevusest. Sellest tekkiv nõrk võnkuv magnetväli loetakse üles elektrilise induktoriga, võimendatakse ning saadetakse sagedusloendurisse, mille väljund teisendatakse magnetvälja tugevuseks.

Overhauseri efekti magnetomeeter

Overhauseri magnetomeeter kasutab sama fundamentaalset efekti, mida kasutab ka prootoni pretsessiooni magnetomeeter. Lisades mõõtevedelikku vabu radikaale, saab kasutada Overhauseri efekti ning parandada seadme efektiivsust. Prootonite solenoidiga joondamise asemel kasutatakse madala võimsusega raadiosageduslikku välja, millega joondatakse elektronide spinn vabades radikaalides, mis omakorda paardub prootonitega läbi Overhauseri efekti. Sellisel lähenemisel on kaks põhilist eelist: raadiosagedusliku välja tekitamine nõuab murdosa energiast ning kiirem diskreetimine kuna elektron-prooton paardumine võib toimuda ka mõõtmise ajal. Overhauseri magnetomeeter suudab registreerida väljatugevusi standardhälbega 0,02 nT diskreetimissagedusel 1 sämpel sekundis.
Overhauseri magnetomeetrit saab kasutada ligikaudu 3 korda suuremas magnetvälja tugevuse gradiendis kui prootoni magnetomeetrit.
Väiksema energiatarbe tõttu tehakse kaasaskantavaid Overhauseri efekti magnetomeetreid (näiteks USA ettevõte GEM Systems).

Vektoriaalsed magnetomeetrid

Vektoriaalsed magnetomeetrid mõõdavad magnetvälja üht või rohkemat ruumikomponenti elektrooniliselt. Kasutades kolme omavahel risti paigutatud magnetomeetrid on võimalik Pythagorose teoreemi kasutades välja arvutada magnetvälja suund ruumis.
Vektoriaalsed magnetomeetrid on tundlikud temperatuuri ning ferriitsüdamike mõõtmete ebastabiilsustele. Samuti vajavad nad enne kasutamist loodimist ning nullimist erinevalt skalaarsetest magnetomeetritest. Seetõttu ei kasutata neid enam mineraalide otsimisel.

Pöörleva pooli magnetomeeter

Staatiline magnetväli tekitab pöörlevas poolis sinusoidaalse elektrivoolu. Tekkiva elektrisignaali amplituud on võrdeline magnetvälja tugevusega ning siinusega nurgast pooli pöörlemistelje ning välja jõujoonte vahel. Selline magnetomeetri disain on aegunud.

Magnetotakistuslikud seadmed

Magnetotakistuslikud seadmed on tavaliselt õhukesed permalloi (nikkel-raud 80/20%) ribad, mille elektritakistus muutub välise magnetvälja toimel. Sellistel ribadel on hästi defineeritud tundlikkustelg, neid saab toota kolmemõõtmelisena ning neid saab massiliselt toota mikroskeemina. Sellise seadme reageerimisaeg on alla ühe mikrosekundi ning neid saab kasutada liikuvates sõidukites diskreetimissagedusel kuni 1000 Hz.

Fluxgate-magnetomeeter

Fluxgate-tüüpi (fluxgate – ingl k 'voo-värav') magnetomeetri leiutasid H. Aschenbrenner ja G. Goubau 1936. aastal. Victor Vacquier' juhitud Gulf Research Laboratoriese meeskond arendas lennukitele paigaldatavaid fluxgate-magnetomeetreid allveelaevade leidmiseks Teise maalimasõja ajal ning pärast sõda kinnitas plaattektoonika teooriat, mõõtes magnetilisi mustri nihkeid merepõhjas.
Fluxgate-magnetomeeter koosneb väikesest, magnetilise vastuvõtlikkusega südamikust, mille ümber on mähitud kaks pooli. Rakendades vahelduvvoolu esimesele poolile viiakse südamik kordamööda mõlemas suunas magnetlise küllastumiseni ning selle kõigus tekkiv elektrivool registreeritakse teise pooliga. Välise magnetvälja puudumisel tekib mõlemas suunas sümmeetriline elektrivool. Kui magnetomeetrile rakendub väline magnetväli, siis on ühes suunas magneetumine lihtsustatud ning teises raskendatud, mis viib ka asümmeetrilise vooluni teises poolis. Tekkivat vahe registreerides on võimalik määrata välise magnetvälja tugevus.
Kui sellist magnetomeetrit pöörata või paigutada neid mitu erineva nurga all, on võimalik määrata magnetvälja tugevuse sõltuvust magnetomeetri suunast ning seeläbi ka magnetvälja suund. Tavaliselt paigutatakse seda tüüpi magnetomeetri poole mitu tükki samasse seadmesse, et vältida mehaanilise ajami vajalikkust.

Kalibreerimine

Magnetomeetreid kalibreeritakse tavaliselt poolide abil, milles tekib elektrivoolu toimel magnetväli. Selliselt saab karakteriseerida ka magnetomeetri tundlikkust ehk reaktsiooni magnetvälja muudule. Paljudel juhtudel on tähtis magnetvälja homogeensus magnetomeetri ümber ning seetõttu kasutatakse tihti Helmholtzi poole ühe- või kolmeteljelises seades. Eriti nõudlikel juhtudel saab kalibreerimiseks kasutada ka Maxwelli poole, koosinus poole ning väga homogeenset Maa magnetvälja.