O que é um magnetômetro?

Aprenda os fundamentos dos magnetômetros, incluindo sua relação com as curvas de histerese e suas aplicações.

Magnetômetros são dispositivos que podem medir a magnitude ou direção de um campo magnético. Eles estão presentes em quase todos os lugares da eletrônica. Eles podem ser tão simples quanto o que seu smartphone usa para detectar se está na vertical ou tão complexos quanto o que a NASA usa para medir o campo magnético de Marte.

Aqui, daremos uma olhada nos fundamentos dos magnetômetros e suas aplicações. Em outros artigos, daremos uma olhada mais de perto em tipos específicos de magnetômetros.

Como funcionam os magnetômetros?

Os magnetômetros, geralmente por um método indireto, medem o que é chamado de momento magnético. O momento magnético de um loop fechado com área, A, e corrente, I, é um vetor cuja magnitude é igual a I vezes A. O torque experimentado por este loop é igual ao momento magnético multiplicado pelo campo magnético.

Matematicamente, o momento magnético é expresso da seguinte forma:

$$ \ overrightarrow {\ tau} =\ overrightarrow {m} \ times \ overrightarrow {B} $$

Onde

• τ =torque
• m =momento magnético
• B =campo magnético externo

Como uma grandeza vetorial, a direção do campo magnético é tão importante quanto sua amplitude. Alguns magnetômetros podem medir tanto a direção quanto a magnitude do campo magnético (magnetômetros vetoriais), enquanto outros podem medir apenas sua amplitude (magnetômetros escalares).

Com relação às unidades, a unidade do Sistema Internacional (SI) é Am ² . No entanto, é comum vê-lo expresso em muitas outras unidades, como $$ \ frac {erg} {G} $$, onde um erg é uma unidade de energia equivalente a 10 ^-7 joules e G é um gauss.

Magnetômetros e curvas de histerese

As propriedades dos materiais magnéticos variam quando eles estão imersos em um campo magnético. Dependendo de como esses materiais reagem a um campo antes e depois de aplicá-lo, eles se enquadram nos grupos de materiais paramagnéticos, diamagnéticos ou ferromagnéticos. Além desses, existem materiais não magnéticos, que apresentam propriedades magnéticas fracas.

A melhor ferramenta para representar propriedades magnéticas é a curva de histerese. Ele representa a densidade do fluxo magnético, B, contra a força de força do campo magnético, H.

Figura 1. Um exemplo de curva de histerese. Imagem usada cortesia do NDT Resource Center

O aspecto mais saliente dos materiais magnéticos é que, mesmo quando removemos a força aplicada, eles permanecem magnetizados (ou seja, exibem retentividade). Então, para retornar o material ao seu ponto inicial, é necessário aplicar uma intensidade de campo magnético negativa (H) para desmagnetizá-lo (coercividade).

Devido aos aspectos especiais dos materiais magnéticos e sua infinidade de aplicações, a capacidade de medir suas propriedades com uma boa resolução trouxe uma revolução nos campos da física e dos materiais.

Medição de eletrônicos de alta sensibilidade

Os sensores magnéticos, como muitos outros sensores, são acompanhados por um conjunto de sistemas eletrônicos para processar pequenos sinais elétricos e gerar uma entrada legível por um microcontrolador, processador ou humanos. O projeto e a construção desses sistemas são um desafio porque, na maioria das vezes, os sinais são muito pequenos e muito sensíveis a ruídos. Portanto, os projetistas precisam chegar a uma compensação entre a complexidade do circuito, a capacidade do sensor e o custo.

Existem componentes frequentemente usados ​​e relativamente simples, como filtros ou amplificadores, mas também existem outros que são mais complexos, como cadeias de modulação-desmodulação ou amplificadores lock-In.

Com o avanço da miniaturização, é frequente descobrir que parte do circuito de condicionamento analógico é implementado dentro de um circuito integrado (IC) na cadeia de sinal, por ser menos sujeito a erros e mais compacto do que uma solução discreta.

Figura 2. Partes internas de um IC do sensor Hall. Imagem usada cortesia de Allegro

Por outro lado, uma solução integrada pode ser menos flexível. Ao trabalhar em um aplicativo específico ou novo, os designers podem preferir uma opção discreta porque podem precisar desenvolver uma nova cadeia de condicionamento.

Aplicações de magnetômetro

Os magnetômetros são amplamente usados ​​em aplicações diárias. Normalmente, os sensores mais complexos são reservados para laboratórios altamente especializados, como a Física e Química de Materiais em Estrasburgo. Tais magnetômetros podem incluir magnetômetros de amostra vibratória, magnetômetros SQUID e AGFM (magnetômetro de campo de gradiente alternativo), entre outros.

Sensores de efeito Hall são amplamente usados ​​em aplicações onde o campo magnético é forte. Suas maiores aplicações são detecção e controle de movimento em aplicações de acionamento de motor.

Figura 3. Um sensor Hall IC. Imagem usada cortesia da Microchip

É comum colocar alguns sensores, geralmente dois ou três, distribuídos espacialmente em torno de um eixo do motor e os componentes metálicos que acionam o sensor na frente deles. Cada vez que as peças metálicas passam na frente de um sensor, elas geram um sinal quadrado ou senoidal que permite o cálculo da velocidade ou posição.

Os magnetômetros MEMS também são facilmente encontrados no mercado. Eles geralmente fazem parte de unidades de movimento inercial (IMUs), que medem a aceleração, velocidade angular e campos magnéticos. Modelos como os eCompasses da STMicroelectronics podem ser integrados em um PCB e, em seguida, conectados a outras partes, como filtros ou microcontroladores. Você pode encontrar esses magnetômetros usados ​​para aplicativos como detecção de movimento em uma tela de smartphone que ajusta automaticamente as informações de uma tela, dependendo de sua orientação horizontal ou vertical.

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