Tipos de magnetômetros

Este guia de alto nível apresenta tipos comuns de magnetômetros, incluindo escalar, vetorial, gradiente e muito mais.

Em um artigo anterior, apresentamos os fundamentos dos magnetômetros e algumas de suas principais aplicações. Hoje daremos um passo adiante e daremos uma olhada nos tipos mais comuns de magnetômetros.

Magnetômetros escalares

Os magnetômetros escalares realizam uma medição precisa do valor numérico do campo magnético. Cada tipo é baseado em diferentes fenômenos físicos:

• Efeito Hall: Sinta a tensão induzida através de um condutor elétrico ao aplicar um campo magnético pode ser perfeitamente usado para medir campos magnéticos
• Precessão de prótons (PPM): Faça uso da ressonância magnética nuclear para medir a ressonância dos prótons no campo magnético, medindo a voltagem induzida em uma bobina devido à sua reorientação
• Overhauser: Semelhante ao efeito Hall e magnetômetros de precessão de prótons, mas usam sinais de radiofrequência para polarizar os spins do elétron

Um magnetômetro Overhauser para aplicações geofísicas. Imagem usada cortesia de Gem System

Magnetômetros de vetor

• Indutivo: Meça o momento dipolar de algumas partículas medindo a corrente induzida em algumas bobinas de detecção após ter submetido a amostra a um campo magnético variável
• Fluxgate: Composto por um núcleo de anel magnético com pelo menos dois enrolamentos de bobina:o enrolamento de transmissão e o enrolamento de sentido

Enrolamentos de magnetômetros Fluxgate. Imagem cortesia do Imperial College London

• Efeito Hall: Gerar uma tensão proporcional ao campo magnético e fornecer informações sobre seu módulo e direção; amplamente utilizado para aplicações de detecção, em vez de caracterizar materiais magnéticos
• Sistema microeletromecânico (MEMS): Detecte o movimento de uma estrutura ressonante usando meios ópticos em escala microscópica

magnetômetros MEMS são baratos e acessíveis. Imagem usada cortesia de Sparkfun Electronics

Magnetômetros de gradiente

Embora cada magnetômetro gradiente seja um pouco diferente, cada um tem aproximadamente os mesmos elementos. Primeiro, eles exigem um dispositivo para gerar um campo magnético conhecido, que pode ser alternado ou constante. Em segundo lugar, os magnetômetros de gradiente requerem uma fonte para um campo de gradiente alternado. Finalmente, eles também requerem um meio eletrônico ou óptico para detectar e medir a força resultante.

Eles também têm operação ressonante, de modo que as amostras magnéticas se movem em torno de sua frequência ressonante quando a amplitude máxima é alcançada.

Outro aspecto relevante dos magnetômetros é a orientação do campo magnético. Em alguns magnetômetros, como o Zijlstra, o campo alternado e DC foram alinhados e orientados verticalmente. Em contraste, no magnetômetro de Foner, a amostra vibra perpendicularmente ao campo magnético, o que reduz a complexidade da configuração necessária.

Magnetômetro vibratório de palheta

Zijlstra introduziu um dos primeiros magnetômetros de gradiente alternado em 1970. O objetivo era superar a limitação dos magnetômetros anteriores e medir a curva de histerese completa de materiais magnéticos.

O magnetômetro de palheta consiste em um fio fino com uma amostra bem pequena a ser caracterizada anexada em sua extremidade. Existem duas bobinas conectadas em oposição em série, ou acopladas diferencialmente, para criar um gradiente de campo. Este campo cria uma força na amostra e, conseqüentemente, uma vibração da palheta. Como o movimento é muito sutil, a frequência é ajustada igual à ressonância mecânica da palheta, de modo que o movimento é amplificado e mais fácil de detectar. O movimento da palheta é observado usando um microscópio e uma lâmpada estroboscópica. Quando a corrente através das bobinas é constante, o campo magnético também o é; o movimento que medimos é proporcional ao momento magnético da amostra.

A diferença mais proeminente entre os magnetômetros de Zijlstra e os anteriores é a sensibilidade e também a capacidade de caracterizar completamente os materiais magnéticos. Para ter caracterização magnética completa, as amostras precisam ser muito pequenas para evitar imperfeições, o problema é que magnetômetros capazes de caracterizar amostras com o tamanho de mícrons podem caracterizar apenas algumas propriedades magnéticas como a remanência ou a susceptibilidade, mas não o ciclo de histerese completo .

Magnetômetros de amostra vibratória (VSM)

A maioria dos dispositivos que medem o momento magnético possui uma bobina de detecção alinhada horizontalmente com as bobinas que geram um campo magnético alternado.

Os magnetômetros de amostra vibratória (VSM), inventados por Foner em 1959, introduziram a novidade de que o movimento da amostra é perpendicular ao campo magnético aplicado. Foner reduziu a complexidade da configuração, evitando modificações difíceis nos ímãs.

VSMs estão presentes em vários laboratórios e disponíveis comercialmente.

Um magnetômetro de amostra vibratória comercial (VSM). Imagem cortesia da Microsense

Magnetômetros de campo alternado combinados

Existe uma terceira categoria de magnetômetros que combina características dos anteriores; eles são chamados de magnetômetros combinados. Eles ainda usam dois campos magnéticos; no entanto, em vez de aplicar apenas um campo alternado e outro constante, eles aplicam dois campos alternados. A maior vantagem é a caracterização de amostras em AC, bem como em DC, em comparação com VSMs ou outros magnetômetros que se limitam a campos DC.

Outros magnetômetros geram um campo magnético de uma frequência igual à frequência de ressonância mecânica da amostra. Os magnetômetros combinados geram dois campos magnéticos cuja diferença é igual à frequência de ressonância. Como um dos campos magnéticos pode ser definido como 0 Hz, ele pode funcionar perfeitamente como um magnetômetro de gradiente tradicional. Ao variar as duas frequências, o dispositivo funciona como um suscetômetro, medindo harmônicos de alta ordem do momento magnético. Este tipo de magnetômetro foi inventado em 2015 por pesquisadores da Universidade Técnica de Madrid.