magnetometer

Et magnetfelt karakteriseres både av styrke og retning. Når et felt defineres av flere størrelser på denne måten kalles det et vektorfelt. Noen magnetometre gir både informasjon om magnetfeltets styrke og retning. Slike magnetometre kalles vektormagnetometre. Noen ganger er det bare nødvendig å måle magnetisk flukstetthet uavhengig av retning. Magnetometere som kun måler denne størrelsen kalles skalarmagnetometre. Skalarmagnetometrene bygger gjerne på kjernemagnetiske effekter som er lette å måle og som gir stor følsomhet og nøyaktighet i målingene.

De eldste magnetometerne bygger på kompassprinsippet. Disse magnetometerne inneholder en magnetstav. Når magnetstaven blir utsatt for et magnetisk felt vil den forsøke å rette seg inn langs den feltkomponenten som ligger i stavens dreieplan. Feltstyrken kan da bestemmes ved å måle for eksempel vinkelutslaget fra en likevektstilling, dreiemoment, eller svingeperioden i en pendelbevegelse. Dersom man har tre uavhengige systemer, kan man bestemme både retning og styrke på magnetfeltet. Slike mekaniske magnetometre er fremdeles i bruk, og de ble brukt som standardinstrumenter ved magnetiske observatorier frem til omkring 1980.

Fluxgate magnetometeret er det mest brukte av vektormagnetometrene. Sensorelementet er en spole med en metallkjerne med høy permeabilitet. Spolen blir utsatt for en vekselspenning som er så sterk at metallkjernen går i magnetisk metning i deler av hver halvperiode. Dersom det finnes et ytre magnetfelt, vil det forskyve magnetiseringsnivået, og man får asymmetri i de to halvperiodene. Dette registreres og brukes til å bestemme styrken på det ytre magnetfeltet. Slike magnetometre vil måle feltkomponenter i en bestemt retning. Dersom man har tre uavhengige magnetometersystemer, vil de måle feltet i tre retninger slik at feltvektoren kan beregnes. Dersom man krever stor nøyaktighet i målingene, blir fluxgatemagnetometret ofte kalibrert mot et skalarinstrument som gir det totale feltet.

Halleffekt magnetometre bygger på et elektromagnetisk fenomen i halvledere kalt halleffekten. Dersom det sendes strøm på langs gjennom en elektrisk ledende rektangulær plate, og denne platen befinner seg i et magnetfelt som står vinkelrett på platen, oppstår det elektrisk spenning på tvers av platen. Denne spenningen vil da være vinkelrett på både strømretningen og magnetfeltets retning. Dette fenomenet kan brukes til å måle feltkomponenten som står vinkelrett på platen. Dersom man har tre plater som står vinkelrett på hverandre, kan man beregne den totale feltvektoren. Fordelen med hallmagnetometeret er at de fysiske dimensjoner kan gjøres meget små. Ulempen er at følsomheten er lav (størrelsesorden mikrotesla), slik at denne type magnetometre egner seg best for måling av sterke magnetfelt.

Proton presesjons magnetometre, også kalt protonmagnetometre, bruker kjernemagnetisk resonans for protoner til å bestemme det totale magnetfeltet. Protoner oppfører seg som små stavmagneter (dipoler) som retter seg inn i et magnetfelt. Når protoner spinner i magnetfeltet, vil de stråle ut bølger med spinnfrekvensen. Ved å måle denne frekvensen med og uten et påtrykt felt, kan man bestemme det permanente bakgrunnsfeltet med en følsomhet på mellom 0,1 nanotesla og 1 nanotesla. Protonmagnetometere blir ofte brukt som standardinstrument for å bestemme det totale magnetfeltet.

Overhausermagnetometre er en videreutvikling av protonmagnetometrene hvor protonene eksiteres ved hjelp av radiobølger. Denne magnetometertypen har følsomhet på 0,01 nanotesla til 0,1 nanotesla og krever liten effekt.

Det finnes også magnetometre som bygger på Zeemaneffekten. Dette er en effekt som gjør at elektromagnetiske stråling fra et atom splittes opp i to nivåer når atomet befinner seg i et magnetfelt. Sensorelementene i disse magnetometrene benytter gjerne en alkalisk gass, slik som cesium eller kalium, som eksiteres ved bruk av lys ved spesielle bølgelengder. Disse magnetometrene har meget høy følsomhet og kan måle med en presisjon i pikotesla, men de er mindre brukervennlige enn de andre magnetometertypene.

Magnetometre for måling av magnetfelt som varierer i tid bygger gjerne på induksjonsprinsippet. Det innebærer at det vil induseres elektrisk spenning i en spole dersom spolen omslutter et magnetisk felt som forandrer seg i tid. Ved å måle denne spenningen kan man bestemme det magnetiske feltet.