Karakteristika og måling af jordens magnetfelt: Fra Gauss til Tesla

Jordens magnetfelt er et af de naturfænomener, der, selv om de ofte overses i vores daglige liv, har været afgørende for vores planets udvikling og for den videnskabelige og teknologiske udvikling fra oldtiden til i dag. I dag udgør deres undersøgelse og måling, såvel som forståelsen af ​​deres egenskaber og anvendelser inden for forskellige områder, et grundlæggende grundlag for grene som geofysik, industri, medicin og ingeniørvidenskab.

Mange af os spekulerer på, hvordan det måles, hvilke størrelser beskriver det, hvilke instrumenter der bruges (såsom gaussmeteret), og hvorfor det er så relevant i vores moderne liv. I denne artikel vil vi grundigt og grundigt nedbryde naturen, karakteristika og metoderne til måling af Jordens magnetfelt, gennemgå velkendte begreber som Tesla og Gauss, såvel som den historiske og konceptuelle udvikling af dette fysiske felt, dets teknologiske implikationer, og videnskabsmænds rolle som Faraday, Gauspès, Magnetisme og Gauss. Der vil ikke mangle forklaringer om magnetiske materialer, måleudstyr, måleenheder, tekniske anvendelser og nyere fremskridt. Gør dig klar til en dybdegående og tilgængelig rundtur i den fascinerende verden af ​​Jordens magnetisme og dens måling, styret af videnskab og teknologi.

Hvad er magnetfeltet? En fysisk tilgang

El magnetfelt Det er en fysisk størrelse af vektortypen. Det betyder, at det er beskrevet af et modul (intensitet), en retning og en sans. Det magnetiske felt kan genereres ved at bevæge elektriske ladninger (for eksempel en elektrisk strøm i en ledning), af magneter eller endda af subatomære partikler. I matematiske termer er magnetfeltet normalt repræsenteret af bogstavet B.

Magnetfeltets intensitet måles i International System of Units (SI) ved hjælp af teslaen (T), mens man i cgs-systemet bruger gauss (G). For at give dig en idé, er en tesla lig med 10.000 gauss, hvilket betyder, at teslaen er en meget større enhed; Gauss er mere praktisk til hverdagsbrug eller til at beskrive magnetiske felter, der ikke er særligt stærke, såsom Jordens. For eksempel er Jordens magnetfelt ved havoverfladen omkring 0,5 gauss.

Hvordan defineres Tesla?

Un Tesla Det er magnetfeltet, der udøver en kraft på 1 newton (N) på en ladning på 1 coulomb (C), der bevæger sig med en hastighed på 1 meter i sekundet (m/s) vinkelret på feltet. Matematisk er det størrelsen af ​​B i udtrykket for Lorentz-kraften: F = q · (v × B), hvor den udøvede kraft afhænger af ladningen, dens hastighed og vinklen i forhold til feltet.

Og gauss?

El gauss Det er cg/g-enheden til måling af magnetisk fluxtæthed eller magnetfeltintensitet. Selvom det ikke tilhører SI, er det stadig meget udbredt i fysik, teknik, geofysik og tekniske discipliner. 1 Tesla = 10.000 gauss. Hvis du arbejder i laboratorier, industri eller uddannelse, vil du møde begge enheder afhængigt af konteksten.

Historie og udvikling af studiet af magnetisme

Magnetisme har været kendt og brugt af menneskeheden siden oldtiden. Magnetit, et mineral, der er i stand til at tiltrække jern, blev allerede navngivet af kineserne og grækerne for tusinder af år siden. Kompasset, der blev brugt til maritim navigation, dukkede op i Kina omkring det 11. århundrede og revolutionerede orienteringsmetoder i hele verden.

Det store videnskabelige spring følger med William Gilbert i 1600, som i sit værk "De Magnete" foreslog, at Jorden i sig selv er en gigantisk sfærisk magnet. Ikke kun observerede han kompassernes opførsel, men han foreslog også, at det magnetiske felt, der omgiver planeten, stammer fra selve Jorden.

Senere rykkede videnskaben om magnetisme frem takket være opdagelser og forskning fra videnskabsmænd som f.eks Hans Christian Ørsted (opdagede forholdet mellem elektricitet og magnetisme i 1820), André-Marie Ampère (formulerede loven, der bærer hans navn om vekselvirkningen mellem elektriske strømme), Michael Faraday (udviklet elektromagnetisk induktion) og Carl Friedrich Gauss (tysk matematiker og fysiker, der sammen med Wilhelm Weber bidrog til den moderne formulering af magnetisme og måling af jordens felt).

En 1838, Gauss udgiver sin "General Theory of Magnetism", der demonstrerer, at jordens magnetfelts hovedoprindelse er inden for planeten, en grundlæggende idé for moderne geofysik, der komplementerer den nuværende dynamo teori (forklarer genereringen af ​​feltet ved bevægelse af smeltede metaller i Jordens ydre kerne).

Jordens magnetfelt: oprindelse og variabilitet

Jorden opfører sig som en gigantisk magnet, med deres tilsvarende magnetiske poler. Selvom man i århundreder troede, at dens oprindelse var i barken, ved vi i dag, at den Jordens magnetfelt genereres af elektriske strømme, der stammer fra bevægelsen af ​​flydende metaller og ioner i planetens ydre kerne. (i dybder mellem 2.900 og 5.100 km under overfladen). Dette er den velkendte dynamo teori.

Hvordan måles Jordens magnetfelt?

Da magnetfeltet er en vektor størrelse, er karakteriseret ved tre parametre: modul (intensitet), retning og sans. Det er også normalt opdelt i kartesiske komponenter: X (nord-syd-komponent), Y (øst-vest) og Z (lodret). Sammensætningen af ​​X og Y giver vandret komponent (H). Derudover måles to nøglevinkler:

• Afvisning (D): vinkel mellem magnetisk nord og geografisk nord.
• Tilt (I): vinkel dannet af den vandrette komponent i forhold til Z-aksen (lodret).

Feltets samlede modul (også kaldet F) resultater fra kombinationen af ​​de tre komponenter. Det kommer generelt til udtryk i tesla eller, er mere håndterbare submultipler, i nanoteslas (nT): 1 nT = 10^-9 T. For at give dig en reference, er magnetfeltet ved Jordens ækvator omkring 30.000 nT og ved polerne når det 60.000 nT, med en mere vandret retning ved ækvator og næsten lodret ved polerne.

Tidsmæssig og geografisk variation

Jordens magnetfelt er ikke statisk. Det kan ændre sig både i intensitet og retning over årene (sekulær variation). Derudover er der døgnvariationer forårsaget af solstråling, og fænomener som f.eks magnetiske storme (forårsaget af solvindens interaktion med Jordens magnetosfære), der kan ændre feltet væsentligt, især på høje breddegrader.

De magnetiske poler falder ikke nøjagtigt sammen med de geografiske poler og skifter over tid.. Af denne grund skal der tages højde for magnetisk deklination i navigation og ved oprettelse af søkort, for at korrigere kompasretninger.

Historisk og praktisk betydning

Siden oldtiden har viden om Jordens magnetfelt været afgørende for navigation. I oldtiden plejede sømænd at lede sig efter stjernerne, men de kunne kun gøre det om natten, og hvis vejrforholdene tillod det. Det magnetiske kompas Det tillod orientering i løbet af dagen og under alle vejrforhold, hvilket øgede navigationssikkerheden, så længe opdaterede magnetiske deklinationskort var tilgængelige.

Måleenheder for magnetfeltet: fra tesla til gauss

Målingen af ​​magnetiske felter bruger forskellige historiske og moderne enheder. I øjeblikket er de mest relevante:

• Tesla (T): International systemenhed for magnetisk fluxtæthed (B).
• Gauss (G): cgs-enhed til også at måle magnetisk fluxtæthed; 1 tesla = 10.000 gauss.
• Ørsted (Ø): cgs-enhed til måling af magnetfeltstyrke (H), relateret til, men ikke ækvivalent med B.
• Weber (Wb): SI-enhed til måling af den totale magnetiske flux (φ), som er resultatet af at multiplicere den magnetiske fluxtæthed (B) med arealet krydset af feltlinjerne.
• Maxwell (Mx): cgs enhed af magnetisk flux, med forholdet 1 Wb = 10⁸ Mx.

Brug af forskellige enheder kan nogle gange være forvirrende, især når du konverterer værdier mellem systemer. Det skal vi altid huske 1 tesla svarer til 10.000 gauss og at 1 ampere pr. meter (SI-enhed for H) er lig med 4π × 10^-3 oersted i det cegesimale system.

Magnetiske materialer og magnetfeltrespons

Når et eksternt magnetfelt virker på et stof eller materiale, afhænger responsen af ​​dets atomare struktur og iboende magnetiske egenskaber. Derfor er materialer klassificeret i:

• Diamagnetisk: Modarbejder modstand til det ydre felt, magnetiserer i den modsatte retning. De frastødes af magnetfeltet. Eksempler: vand, vismut, guld, sølv, ædelgasser.
• Paramagnetisk: De tiltrækkes af magnetfeltet og bliver magnetiseret i samme retning. Uden et eksternt felt forbliver de ikke magnetiserede. Eksempler: aluminium, platin, oxygen.
• Ferromagnetisk: De kan spontant magnetisere og opretholde magnetisme selv uden et eksternt felt. De er grundlaget for permanente magneter. Eksempler: jern, nikkel, kobolt, gadolinium, nogle legeringer.

La permeabilidad magnética måler et materiales evne til at lede magnetiske fluxlinjer. I SI skelnes der mellem absolut permeabilitet (i H/m) og relativ permeabilitet (forhold i forhold til vakuumet, hvis værdi er 4π·10^-7 H/m). Diamagnetics har en permeabilitet lidt mindre end én, paramagnetics lidt højere og ferromagnetiske meget højere og ikke-lineære.

Et bemærkelsesværdigt fænomen er magnetisk hysterese I ferromagnetiske materialer: når de først er magnetiseret, kan de opretholde feltet, selvom det ydre felt forsvinder, og de kræver et felt i den modsatte retning for at afmagnetisere dem.

Magnetisk feltmåling: gaussmeter og andre enheder

Forskellige instrumenter bruges til at måle intensiteten og orienteringen af ​​magnetiske felter, både i laboratoriet og i industrielle eller geofysiske applikationer. Den mest udbredte er gaussmeter.

Hvad er et gaussmeter?

El gaussmeter Det er et elektronisk instrument designet til at måle magnetisk fluxtæthed, udtrykt i gauss eller tesla, og nogle gange med submultipler såsom mikrotesla. Det giver mulighed for at analysere både intensiteten (modulus) og retningen af ​​feltet og kan detektere statiske magnetiske felter (permanente magneter, Jordens felt) eller dynamiske (elektriske strømme, vekselfelter).

Typer af gaussmetre i henhold til driftsprincippet

• Hall effekt sensorer: Baseret på hall-effekt (generering af en vinkelret spænding i et ledende materiale ved påvirkning af et magnetfelt). De er nøjagtige og velegnede til de fleste anvendelser, både i laboratoriet og i industrien.
• Magnetoresistive sensorer: De udnytter variationen i den elektriske modstand af visse materialer under påvirkning af et magnetfelt. De er kompakte, effektive og bruges til at detektere lave eller fluktuerende felter.
• induktionsspoler: De detekterer variationer i det magnetiske felt gennem elektromagnetisk induktion (Faradays lov), hovedsagelig nyttig til vekslende felter.

Valget af gaussmetertype vil afhænge af applikationen, måleområdet og arten af ​​det magnetiske felt.

Dele af et moderne gaussmeter

• Sonda: Det er den følsomme del af enheden, hvor sensoren er placeret. Der er flade sonder (til at måle det tværgående felt) og cylindriske eller aksiale sonder (til det parallelle felt, såsom inde i solenoider).
• processor: Fortolker sensorsignalet og udfører de nødvendige beregninger.
• Skærm: Viser de detekterede magnetfeltværdier i realtid.

Mange gaussmålere inkorporerer datalagring, maksimal/minimum registrering og mulighed for at overføre resultater til computere eller geografiske informationssystemer (GIS) til avanceret analyse.

Hvordan bruger du et gaussmeter?

1. Kalibrering og klargøring: Det er vigtigt at sikre, at enheden er kalibreret (følger producentens retningslinjer) og forberedt med den passende skala til det forventede feltområde.
2. Sondens placering: Sonden skal placeres korrekt, normalt ved at bruge ansigtet markeret med bogstaver for at sikre måleretningen. Orienteringen afhænger af felttypen (tværgående eller aksial).
3. Læsning og optagelse: Når sonden er placeret, vent på, at aflæsningen stabiliserer sig og dokumenterer resultatet. I avancerede enheder kan flere aflæsninger gemmes til sammenligning eller analyse af tidstendenser.

La gaussmeter nøjagtighed Det afhænger af sensorens kvalitet, kalibreringen, den anvendte sonde og fraværet af interferens. Typisk opløsning for avancerede modeller kan nå 0,1 %-2 % af det maksimale måleområde. Faktorer som temperatur og tilstedeværelsen af ​​eksterne magnetfelter kan påvirke nøjagtigheden, så det er tilrådeligt at gentage målinger og om nødvendigt genkalibrere.

Hvilke felter kan et gaussmeter måle?

Gaussmeter kan måle magnetiske felter med både jævnstrøm (DC) og vekselstrøm (AC).. I tilfælde af vekslende felter viser instrumentet normalt feltets effektive (RMS) værdi. Nogle avancerede modeller gør det muligt at skelne mellem de to typer, hvilket især er nyttigt i industrielle eller videnskabelige applikationer, hvor feltets natur er af interesse.

Der er også teslameter, tilsvarende enheder, men som viser resultaterne direkte i teslaer, mere velegnede til meget intense magnetiske felter (såsom dem, der genereres i magnetisk resonansbilleddannelse eller i materialefysiklaboratorier).

Anvendelser af gaussmeter og magnetfeltmåling

Magnetisk feltovervågning og analyse har enorme praktiske anvendelser inden for en række forskellige områder, fra grundforskning til hverdagsliv.

Industri og fremstilling

Magnetisk kvalitetskontrol: Sørg for, at de producerede magneter opfylder specifikationerne, og at de elektriske motorer og generatorer fungerer under optimale forhold.

Afprøvning af elektrisk udstyr: Evaluering af motorer, transformere, solenoider og andre komponenter for at forhindre fejl eller lav effektivitet.

Registrering af skjulte metalgenstande eller sikkerhedssystemer: Anvendes i adgangskontrol, alarmsystemer og placering af ferromagnetiske elementer.

Videnskabelig og geofysisk forskning

Undersøgelse af Jordens magnetfelt: Analyse af feltvariationer giver mulighed for undersøgelse af planetens indre struktur, dynamikken i Jordens kerne og dens interaktion med solvinden.

Materialefysik: Forskning i nye materialers og forbindelsers magnetiske egenskaber i fysik- og kemilaboratorier.

Geologi og minedrift: Bruges til at detektere variationer i det magnetiske felt forbundet med tilstedeværelsen af ​​mineraler.

Medicin og sundhed

Kalibrering af medicinsk udstyr: Såsom magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) maskiner, hvor nøjagtigheden af ​​det magnetiske felt er afgørende for billedsikkerhed og kvalitet.

Miljøundersøgelser: Evaluering af magnetfelter i bolig-, industri- eller bymiljøer for at analysere mulige sundhedseffekter.

Praktiske anvendelser i hverdagen

Teknisk diagnose: Fejlfinding af motorer og elektrisk udstyr til husholdningsbrug eller industrielt udstyr.

Konstruktions- og installationstjek: Verifikation af integriteten af ​​magnetiske skjolde, elektromagnetisk beskyttelse mv.

Automotive, vedvarende energi og elektronik

Automotive: Optimering af elmotorer i hybrid- og elbiler, test af magnetiske sensorer og aktuatorer.

Vedvarende energi: Måling af effektiviteten af ​​magnetiske generatorer i vindmøller og kontroller i bæredygtige elproduktionssystemer.

Elektroniske enheder: Kalibrering af magnetiske sensorer i mobiltelefoner, tablets, digitale kameraer og andre gadgets.

Nylige innovationer og nye applikationer

Fremskridt i udviklingen af miniaturiserede sensorer, bærbare enheder og automatiserede dataindsamlingssystemer De har udvidet brugen af ​​gaussmeteret og dets anvendelser til nye områder: fra robotteknologi, kunstig intelligens og Internet of Things (IoT) til rumudforskning og biomedicin.

Konvertering og sammenligning af enheder: fra laboratoriet til hverdagen

Den kombinerede brug af teslaer og gauss er almindelig i tekniske, uddannelsesmæssige og hverdagslige omgivelser. Her er nogle vigtige ækvivalenser at huske:

• 1 tesla (T) = 10.000 gauss (G)
• 1 gauss = 0,0001 tesla (T)
• 1 weber = 10⁸ Maxwell (Mx)

I avancerede måleinstrumenter præsenteres resultaterne normalt i mikroteslas (μT) eller nanoteslas (nT), især i geofysiske og miljømæssige applikationer. Jordens magnetfelt ligger således typisk mellem 30.000 nT og 60.000 nT afhængig af breddegrad og andre forhold.

Det magnetiske felts fysik: fluxtæthed og kraft på partikler

Den fysiske analyse af magnetfeltet er baseret på magnetisk fluxtæthed (B), som beskriver feltets virkning på bevægelige elektriske ladninger. Kraften, som et magnetfelt udøver på en ladning, udtrykkes ved Lorentz kraft: F = q · (v × B)Hvor q er belastningen, v hastighed og B den magnetiske fluxtæthed.

Afhængigt af vinklen mellem hastigheden og feltet kan kraften variere mellem nul (hvis de er parallelle) og maksimale (hvis de er vinkelrette). Retningen af ​​denne kraft bestemmes af det velkendte højrehåndsreglen.

Materialers magnetiske egenskaber og adfærd

Diamagnetisme

Karakteristisk for stoffer, der er lidt modsat det ydre magnetfelt og genererer et induceret felt i den modsatte retning. Diamagnetisme er universel, men er kun mærkbar i materialer, hvor andre typer magnetisme (såsom ferromagnetisme eller paramagnetisme) er meget svage eller ikke-eksisterende. Bemærkelsesværdige eksempler er vismut, kobber, guld, sølv, vand og ædelgasser. Diamagneter afstødes fra områder med stærkt magnetfelt, og dette fænomen er grundlaget for diamagnetisk levitation.

Paramagnetisme

I paramagnetiske materialer har atomer eller molekyler individuelle magnetiske momenter, der flugter med det ydre felt og tiltrækker hinanden til områder med størst intensitet. De bevarer dog ikke væsentlig magnetisering, når feltet er slukket. Eksempler omfatter aluminium, platin, oxygen, visse metaloxider og andre kemikalier.

Ferromagnetisme

Det er den egenskab, der tillader nogle materialer (såsom jern, nikkel, kobolt eller gadolinium) spontant at magnetisere og opretholde denne tilstand, når feltet forsvinder. Deres atomare magnetiske momenter justeres spontant. Ferromagnetisme er afgørende i fremstillingen af ​​permanente magneter, transformerkerner og magnetiske hukommelser. Når Curie temperatur, bliver ferromagnetiske materialer paramagnetiske og mister deres spontane magnetisme.

Magnetisk permeabilitet

La permeabilitet definerer den lethed, hvormed et materiale tillader passage af magnetiske feltlinjer. I superledere er permeabiliteten praktisk talt nul, hvilket får dem til at udstøde magnetfeltet fuldstændigt (Meissner-effekten).

Den praktiske måling af Jordens magnetfelt

Måling af Jordens magnetfelt, dets komponenter og variationer, er afgørende i talrige eksperimenter, undersøgelser og tekniske anvendelser. Et af de mest almindelige eksperimenter er bestemmelsen af vandret komponent af Jordens felt (H) ved hjælp af for eksempel Biot-Savart-loven og Ampères lov. Disse love giver os mulighed for at beregne bidraget af elektriske strømme til genereringen af ​​det lokale magnetfelt.

For at udføre disse målinger er det vigtigt:

• Brug kalibreret udstyr (gaussmetre, Hall-sonder, præcisionsmagnetometre).
• Vær opmærksom på miljøforhold (fravær af nærliggende kilder til elektromagnetisk interferens, termisk stabilitet).
• Tag en række gentagne målinger for at opnå en gennemsnitsværdi og reducere fejl på grund af midlertidige udsving.

De opnåede værdier er normalt udtrykt i teslaer, gauss eller mere almindeligt i nanoteslaer. Resultatet giver mulighed for analyse af feltets vektorielle natur og dets mulige lokale variationer på grund af geologiske strukturer, solaktivitet eller menneskeskabte faktorer.

Teknologiske og videnskabelige anvendelser af magnetisme og dens måling

Elektronik og husholdningsapparater

Princippet for virkningen af ​​det magnetiske felt er base af langt de fleste motorer, elektriske generatorer og transformere til stede i det moderne liv. Disse enheder konverterer mekanisk energi til elektrisk energi (og omvendt) og fungerer takket være de magnetiske kræfter, der virker på bevægelige ledere i et felt.

masse elektromagnetiske relæer, for eksempel muliggør automatisk kredsløbsskifte i en lang række applikationer, fra dørklokker til store industrielle systemer, baseret på egenskaberne magnetisme og induktion.

Kommunikation og informationslagring

Magnetisme er også grundlaget for funktion af magnetiske hukommelser (harddiske, bånd, kort), højttalere, dynamiske mikrofoner og talrige sensorer, der bruges i elektroniske enheder og automatiske kontrolsystemer.

I laboratorier og videnskabelige eksperimenter er nøjagtig registrering af magnetfelter med avancerede gaussmetre afgørende for at udvikle nye teknologier, studere innovative materialer og opdage nye applikationer i tiden med kunstig intelligens og tingenes internet.

Rumudforskning, droner og biler

Udviklingen af ​​effektive og lette elektriske motorer har muliggjort fremkomsten af ​​robotter, droner og autonome køretøjer, både på land og i rummet. Mange af disse systemer bruger magnetiske sensorer med høj præcision til navigation, positionering og banekorrektion. Næste generations leveringsdroner, rumrovere og elektriske køretøjer har alle flere indbyggede magnetfeltsensorer.

Sundhed og strålebeskyttelse

Inden for medicin er magnetisk resonansbilleddannelse afhængig af præcis kontrol af magnetfeltet for at opnå pålidelige og sikre diagnostiske billeder. Kvalitetskontrol, kalibrering og overvågning af disse felter udføres ved hjælp af højopløselige gaussmetre.

Udfordringer i måling og kontrol af aktuelle magnetfelter

Nøjagtig magnetfeltmåling udgør tekniske og videnskabelige udfordringer, både med hensyn til at opretholde langsigtet nøjagtighed og for at reducere fejl forårsaget af interferens, ændringer i sensoregenskaber eller miljømæssige variationer. Derfor er udviklingen af Robuste sensorer, automatiske kalibreringssystemer og trådløse teknologier udgør en af ​​de mest dynamiske tendenser i sektoren.

Ydermere har udvidelsen af ​​kunstige magnetfelter genereret af moderne teknologi (strømledninger, antenner, transformere, elektroniske enheder) åbnet op for nye undersøgelseslinjer om potentielle virkninger på miljøet og menneskers sundhed, samt behovet for at etablere passende regler og kontrolprocedurer.

Fremtid og tendenser inden for magnetfeltmåling

Integrationen af ​​magnetiske sensorsystemer i industri 4.0, miniaturiseringen af ​​bærbare enheder, fremkomsten af ​​systemer til registrering og behandling af massive data (big data) og digitaliseringen af ​​målinger giver os mulighed for at forestille os en fremtid med smarte magnetiske sensorer, der kan integreres i tekstiler, autonome køretøjer, satellitter og personlige enheder.

Inden for geofysik repræsenterer realtidsovervågning af jordens felt, udviklingen af ​​automatiserede observatorier, skabelsen af ​​globale modeller for magnetisk variation og anvendelsen af ​​kunstig intelligens til at forudsige solstorme eller geodynamiske tendenser en forsknings- og udviklingsgrænse med stor social og videnskabelig indvirkning.

Magnetfeltet omgiver os, påvirker liv og teknologi og byder fortsat på udfordringer og muligheder for videnskabelig udforskning, teknisk innovation og beskyttelse af vores planet mod eksterne og interne trusler. Dens præcise måling, forståelse af dens egenskaber og evnen til at manipulere den med stadig mere sofistikerede værktøjer vil fortsætte med at markere vigtige fremskridt i de kommende årtier. I dag er det lige så relevant at forstå, hvordan man måler, fortolker og udnytter det i dag, som det var for kinesiske navigatører fra det 11. århundrede eller fysikere fra det 19. århundrede: vi fortsætter med at navigere, men nu i havet af teknologi og viden.