A mágneses térerősség mérése alapvető fontosságú számos tudományos, ipari és technológiai területen. Legyen szó akár egy egyszerű mágnes erejének meghatározásáról, akár komplex elektromágneses rendszerek optimalizálásáról, a pontos mérés elengedhetetlen. Ebben az átfogó útmutatóban részletesen bemutatjuk a mágneses térerősség fogalmát, a mérésére szolgáló különböző eszközöket, a mérési elveket és a gyakorlati alkalmazásokat, hogy Ön teljes képet kapjon erről a fontos területről.
A mágneses térerősség egy fizikai mennyiség, amely leírja a mágneses tér intenzitását egy adott pontban. Két fő mennyiség használatos a mágneses tér jellemzésére: a mágneses indukció (\\mathbf\{B\}), amelyet gyakran mágneses fluxussűrűségnek is neveznek, és a mágneses térerősség (\\mathbf\{H\}). Bár a köznapi nyelvben gyakran szinonimaként használják őket, fizikailag különböző fogalmakat takarnak.
A mágneses indukció (\\mathbf\{B\}) azt a erőt írja le, amelyet egy mozgó töltött részecske tapasztal a mágneses térben. Vektor mennyiség, iránya megadja a mágneses erő irányát, nagysága pedig arányos a töltés sebességével és a mágneses tér erősségével. A mágneses indukció mértékegysége a Tesla (T) a Nemzetközi Mértékegységrendszerben (SI). Egy Tesla egyenlő egy Newton per Amperméterrel (N/(A·m)). Egy régebbi, de még ma is használt mértékegység a Gauss (G), ahol 1 T = 10 000 G.
A mágneses térerősség (\\mathbf\{H\}) egy másik vektor mennyiség, amely a mágneses tér forrásaitól, azaz az áramoktól és a mágneses anyagoktól függ. Kapcsolatban áll a mágneses indukcióval a közeg permeabilitásán (\\mu) keresztül: \\mathbf\{B\} \= \\mu \\mathbf\{H\}. Vákuumban ez az összefüggés \\mathbf\{B\} \= \\mu\_0 \\mathbf\{H\}, ahol \\mu\_0 a vákuum permeabilitása (4\\pi \\times 10^\{\-7\} \\, \\text\{H/m\}). A mágneses térerősség mértékegysége az Amper per méter (A/m) az SI rendszerben.
A mágneses indukció (\\mathbf\{B\}) a mágneses tér fizikai hatásait írja le, míg a mágneses térerősség (\\mathbf\{H\}) a tér létrehozásában szerepet játszó áramokhoz és mágneses anyagokhoz kapcsolódik közvetlenebbül. Anyag jelenlétében a permeabilitás (\\mu) befolyásolja a kettő közötti kapcsolatot, ezért fontos a megkülönböztetés, különösen mágneses anyagokkal foglalkozó alkalmazásokban.
Számos különböző elven működő mérőműszer létezik a mágneses térerősség mérésére. A leggyakrabban használtak közé tartoznak a Hall-effektus alapú mérők, a fluxgate magnetométerek, a SQUID magnetométerek és az NMR magnetométerek. Mindegyik típusnak megvannak a maga előnyei és hátrányai a mérési tartomány, az érzékenység, a pontosság és a költség tekintetében.
A Hall-effektus egy olyan jelenség, amely akkor lép fel, ha egy áramot vezető anyagot mágneses térbe helyeznek, amely merőleges az áram irányára. Ekkor a töltött részecskékre a Lorentz-erő hat, ami töltésszétválasztáshoz és egy, az áramra és a mágneses térre is merőleges feszültség (a Hall-feszültség) kialakulásához vezet. A Hall-feszültség nagysága arányos a mágneses indukció (\\mathbf\{B\}) erősségével.
A Hall-effektus alapú mérők egy vékony félvezető anyagból készült Hall-elemet tartalmaznak. Amikor a Hall-elemet egy mágneses térbe helyezik, és áramot vezetnek rajta keresztül, a keletkező Hall-feszültséget mérik. Ez a feszültség kalibrálható úgy, hogy közvetlenül megadja a mágneses indukció értékét Gaussban vagy Teslában. Ezek a mérők általában robusztusak, könnyen használhatók és széles mérési tartományban alkalmazhatók.
A Hall-effektus alapú mérőket széles körben használják az iparban, a kutatásban és a minőségellenőrzésben. Néhány tipikus alkalmazás:
A fluxgate magnetométerek a magas permeabilitású mag telítésének elvén működnek. Egy ferromágneses magot egy váltakozó árammal meghajtott tekercs vesz körül. A váltakozó áram a magot periodikusan telítésbe viszi. Külső mágneses tér jelenlétében a telítési ciklus aszimmetrikussá válik, ami egy második tekercsben egy második harmonikus frekvenciájú feszültséget indukál. Ennek a feszültségnek az amplitúdója arányos a külső mágneses tér erősségével.
A fluxgate magnetométerek nagy érzékenységükről ismertek, különösen alacsony frekvenciájú és statikus mágneses terek mérésére. Gyakran használják őket a geomágneses tér mérésére, űrkutatási alkalmazásokban és a gyenge mágneses anomáliák detektálására.
A SQUID magnetométerek rendkívül érzékeny eszközök, amelyek a szupravezetés kvantummechanikai jelenségeit használják ki a mágneses fluxus nagyon pontos mérésére. Egy SQUID egy vagy több Josephson-átmenetet tartalmaz egy szupravezető hurokban. A mágneses fluxus változása a hurokban kvantált áramok és feszültségek változását eredményezi, amelyek rendkívül kis mágneses térerősségek mérésére is alkalmasak.
A SQUID magnetométerek a legérzékenyebb ismert mágneses tér mérők. Működésükhöz rendkívül alacsony hőmérsékletre (néhány Kelvin) van szükség, hogy a szupravezető állapotot fenntartsák. Alkalmazásaik közé tartozik az orvosi képalkotás (magnetoenkefalográfia, magnetokardiográfia), a geológia, az anyagtudomány és az alapvető fizikai kutatások.
Az NMR magnetométerek az atommagok mágneses momentumának a külső mágneses térrel való kölcsönhatásán alapulnak. Bizonyos atommagok (pl. a hidrogénmag, azaz a proton) spinje mágneses momentummal rendelkezik. Külső mágneses térben ezek a momentumok a tér irányába rendeződnek. Ha egy rádiófrekvenciás impulzust alkalmazunk, amely rezonanciában van a magok precessziós frekvenciájával (Larmor-frekvencia), akkor a magok gerjesztődnek. A gerjesztett magok ezután egy gyenge rádiófrekvenciás jelet bocsátanak ki, amelynek frekvenciája arányos a külső mágneses tér erősségével.
Az NMR magnetométerek nagy pontossággal képesek mérni a mágneses indukciót. Gyakran használják őket a geomágneses tér abszolút mérésére és laboratóriumi standardként a mágneses tér kalibrálására.
A pontos mágneses térerősség méréséhez figyelembe kell venni néhány fontos szempontot, mint például a mérőműszer megfelelő kiválasztása, a kalibrálás, a környezeti hatások és a mérési eljárás.
A mérési feladathoz leginkább megfelelő mérőműszer kiválasztása kulcsfontosságú. Figyelembe kell venni a mérendő mágneses tér várható erősségét, a szükséges pontosságot, a mérési környezetet (pl. hőmérséklet, jelen lévő egyéb elektromágneses mezők) és a költségvetést.
A mérőműszerek rendszeres kalibrálása elengedhetetlen a pontos mérések biztosításához. A kalibrálás során a mérőműszer által mutatott értékeket összehasonlítják egy ismert, pontos standarddal, és szükség esetén korrekciós tényezőket alkalmaznak.
A mérést befolyásolhatják a környezetben jelen lévő egyéb mágneses és elektromos mezők, valamint a hőmérséklet. Fontos, hogy a mérést olyan helyen végezzük, ahol a zavaró hatások minimalizálhatók. Bizonyos esetekben árnyékolást kell alkalmazni a külső mágneses terek kizárására.
A mérési eljárást a mérőműszer típusa és a mérendő mágneses tér jellege határozza meg. Pontszerű mérés esetén a szenzort a kívánt mérési pontba kell helyezni. Térbeli eloszlás mérése esetén a szenzort a vizsgált tér különböző pontjain kell végigmozgatni, vagy több szenzort kell egyszerre használni.
A mágneses térerősség mérésének rendkívül széleskörű alkalmazásai vannak a különböző tudományterületeken és az iparban.
A fizikában, a geofizikában, az asztrofizikában és a biológiai tudományokban a mágneses térerősség mérése alapvető fontosságú. Például a plazmafizikai kísérletekben a mágneses tér konfigurációjának és erősségének ismerete elengedhetetlen a plazma bezárásához. A geofizikában a Föld mágneses terének vizsgálata segít megérteni a bolygó belső szerkezetét és a geomágneses jelenségeket. Az asztrofizikában a csillagok és galaxisok mágneses tereinek mérése fontos információkat nyújt ezeknek az objektumoknak a keletkezéséről és fejlődéséről. A biológiában pedig az élőlények által keltett gyenge mágneses mezők vizsgálata (biomagnetizmus) új kutatási irányokat nyit meg.
Az iparban a mágneses térerősség mérése a minőségellenőrzés, a folyamatirányítás és a biztonságtechnika területén játszik fontos szerepet. Például a mágneses anyagok gyártásánál a végtermék mágneses tulajdonságainak ellenőrzése elengedhetetlen. Az elektromos gépek (motorok, generátorok, transzformátorok) tervezésénél és gyártásánál a mágneses tér eloszlásának pontos ismerete kulcsfontosságú a hatékony működéshez. A roncsolásmentes anyagvizsgálatban a mágneses részecskés vizsgálat a felületi és a felület közeli hibák kimutatására szolgál, amelynek során a mágneses tér deformációit detektálják. A biztonságtechnikában a fémérzékelők a mágneses tér megzavarásának elvén működnek.
Az orvosi diagnosztikában a mágneses tér mérésén alapuló eljárások egyre fontosabbá válnak. A magnetoenkefalográfia (MEG) az agyi aktivitás által keltett rendkívül gyenge mágneses mezőket méri, és lehetővé teszi az agyi funkciók nem invazív vizsgálatát. A magnetokardiográfia (MCG) a szív elektromos aktivitása által keltett mágneses mezőket rögzíti. A mágneses rezonancia képalkotás (MRI)