Từ kế

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm

Từ kế hay máy đo từ là thiết bị được sử dụng để đo đạc cường độ và có thể cả hướng của từ trường trong một khu vực lân cận thiết bị.

Sự biến đổi từ tính từ nơi này đến nơi khác cũnh như khác biệt từ trường của Trái Đất (từ quyển) có thể là do sự khác biệt của các đá trong tự nhiên và tương tác giữa các hạt mang điện từ Mặt Trời và từ quyển của các hành tinh.[1]

Đo từ đường bộ kiểu gradient thẳng đứng bằng máy đo từ Geometrics Cesium G-858 hai đầu thu tại một vị trí khảo cổ tại Montana, USA.

Đặc trưng kỹ thuật[sửa | sửa mã nguồn]

Từ kế hiện nay biến đổi trường thành tín hiệu điện. Sự biến thiên của từ trường và sự di chuyển của phương tiện đo dẫn đến tín hiệu biến đổi theo thời gian. Vì thế nó có đặc trưng chung của thiết bị đo đạc rời rạc hóa một quá trình thời gian.

  • Nhịp lấy mẫu (Sample rate) là số lần có số liệu cho mỗi giây. Nghịch đảo của nó là độ dài kỳ đo. Nó xác định khoảng cách điểm đo khi phương tiện đo di chuyển.
  • Băng thông (Bandwidth) thể hiện đáp ứng khi trường thay đổi, ví dụ khi tàu đo di chuyển hoặc khi bão từ. Băng thông hẹp sẽ vướng vào giới hạn Nyquist (Nyquist limit) khi trường biến đổi nhanh.
  • Độ phân giải (Resolution) là sự thay đổi nhỏ nhất của trường có thể đo.
  • Sai số tuyệt đối (Absolute error) là sự khác biệt giữa trung bình số đọc với trường thật sự.
  • Độ trôi (Drift) là sự thay đổi tham số theo thời gian.
  • Ổn định nhiệt (Thermal stability) là sự phụ thuộc kết quả đo với nhiệt độ.
  • Tiếng ồn (Noise), trong so sánh với tín hiệu trường.
  • Độ nhạy (Sensitivity) là đại lượng lớn hơn tiếng ồn và độ phân giải.
  • Lỗi định hướng (Heading error), sự thay đổi số đo khi thay đổi định hướng máy đo.
  • Vùng chết (Dead zone) là vùng góc định hướng không đo được, thường có ở các từ kế proton và lượng tử.
  • Dung sai gradient (Gradient tolerance) là khả năng đo tin cậy khi có gradient trường.

Ngoài ra còn có dải nhiệt độ và áp suất làm việc như mọi máy móc khác.

Phân loại Từ kế[sửa | sửa mã nguồn]

Có sự khác nhau về tiêu chí phân loại.[2]

Phân loại theo công dụng:

  • Từ kế trong phòng thí nghiệm có độ nhạy, độ chính xác cao, đo mẫu vật, đo được trường lớn hay cực nhỏ và tất nhiên có thể rất cồng kềnh.
  • Từ kế di động có kích thước, độ nhạy, dải đo thích hợp để đo từ trường Trái Đất hay của hành tinh.

Phân loại theo thành phần trường:

  • Từ kế vô hướng hay từ kế đo giá trị trường toàn phần T.
  • Từ kế vector hay từ kế đo giá trị thành phần trường dọc theo phương nào đó, chẳng hạn phương thẳng đứng Z, phương nằm ngang H, hay nằm ngang theo kinh vĩ tuyến X, Y.

Phân loại theo cách thức đo trường:

  • Loại máy đo trực tiếp giá trị tuyệt đối (Absolute)
  • Loại máy đo tương đối (Relative), tức là số đo phải tính toán lại theo các tham số kiểm chuẩn để thu được giá trị trường.

Các kiểu Từ kế[sửa | sửa mã nguồn]

Máy đo từ fluxgate[sửa | sửa mã nguồn]

Máy đo từ fluxgate hay từ kế kiểu sắt từ, được phát triển trong Thế chiến II để phát hiện tàu ngầm. Nó là từ kế vector tương đối, đo thành phần trường dọc theo trục vật lý của đầu thu, do đó đầu thu cần phải được định hướng. Trên mặt đất, đầu thu được định hướng theo phương thẳng đứng để đo thành phần Z (của vector trường từ), hay nằm ngang để đo thành phần H.

Khi bố trí nhiều đầu dò ở các vị trí khác nhau như dàn đo trên máy bay hay tàu biển, thì sự chênh lệch giá trị (tức gradient) trường là chỉ báo rằng bên dưới đang có vật thể nhiễm từ. Nhờ đó phát hiện được các tàu ngầm không được khử từ tốt.

Đầu thu fluxgate 3 thành phần, có 3 đầu dò vuông góc lẫn nhau, là kết cấu chủ yếu để lập ra la bàn từ, cũng như để đo từ trường trong vũ trụ trên các phi thuyền không gian.

Máy đo từ proton[sửa | sửa mã nguồn]

Máy đo từ proton (Proton Magnetometer), còn gọi là Từ kế Tuế sai Proton (Proton Precession Magnetometer) hay Từ kế Cộng hưởng từ hạt nhân, là từ kế vô hướng tuyệt đối, đo trường toàn phần T. Nó hoạt động dựa trên đo tần số tín hiệu tuế sai của hạt nhân Hydro 1H1 (tức proton) khi trục quay của hạt nhân định hướng lại theo trường từ.

Máy đo từ lượng tử[sửa | sửa mã nguồn]

Máy đo từ lượng tử hay Từ kế kiểu bơm quang học (Optically Pumped Magnetometer), là từ kế vô hướng tuyệt đối, đo trường toàn phần T. Máy hoạt động dựa trên quan sát hiện tượng phân tách mức năng lượng lượng tử của điện tử trong trường hạt nhân khi có trường từ ngoài T. Các nguyên tố nhạy thường dùng là Cesi, Rubidi, Kali, Heli nên thường gọi theo tên nguyên tố, ví dụ Từ kế Cesium.

Nguyên lý hoạt động của máy còn được giải thích theo lý thuyết Cộng hưởng từ điện tử (Electron magnetic resonance, EMR)[3], tức là thay cho proton thì trong máy này dùng hạt điện tử, và có hệ số tỷ lệ tần số với từ trường cao hơn. Tuy nhiên cách thức "từ hóa" các điện tử là bơm quang học lại có dáng dấp của cơ học lượng tử.

Máy có độ nhạy dưới 0,001 nT, một kỳ đo dài cỡ 0,3 sec.

Từ kế vector Heli[sửa | sửa mã nguồn]

Từ kế vector Heli (Helium Vector Magnetometer, HVM) là từ kế lượng tử dùng Heli, trong đó kích thích heli thực hiện bằng ion hóa. Nó có thể đo từ trường nhỏ. Được dùng trên phi thuyền để đo trường nhỏ và đảm nhận vai trò phân cỡ cho từ kế fluxgate 3 thành phần.

Từ kế mẫu rung VSM. Mẫu được gắn vào đầu thanh thuỷ tinh đặt giữa các cuộn dây.

Từ kế hiệu ứng Hall[sửa | sửa mã nguồn]

Từ kế hiệu ứng Hall hoạt động dựa theo hiệu ứng Hall trong chất bán dẫn. Nó là từ kế vector tương đối, dùng cho đo từ trường mạnh.

Từ kế mẫu rung[sửa | sửa mã nguồn]

Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer, VSM) hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ. Nó đo mômen từ của mẫu cần đo trong từ trường ngoài. Máy được sử dụng trong phòng thí nghiệm.

Ứng dụng[sửa | sửa mã nguồn]

Quân sự[sửa | sửa mã nguồn]

Máy dò dị thường từ (Magnetic anomaly detection, MAD) để nhận dạng các tàu ngầm dùng cho mục đích quân sự.

Máy bay Antonov An-12 Cub lắp thiết bị dò dị thường từ MAD ở đuôi

Trong khi đó, các tàu ngầm phải định kỳ thực hiện khử từ (Degaussing), nhằm lẩn tránh bị phát hiện cũng như để tránh kích nổ loại thủy lôi có từ kế để khởi động nổ.

Nghiên cứu không gian[sửa | sửa mã nguồn]

Trong nghiên cứu không gian thì từ kế được chế thích hợp, gọi là Spacecraft magnetometer, được lắp trên các phi thuyền để đo từ trường quanh các hành tinh hay vệ tinh. Thường dùng từ kế fluxgate ba thành phần. Nhờ đó từ trường quanh Trái Đất, mặt trăng, mặt trời, sao Hỏa (Mars), sao Kim (Venus) đã được nghiên cứu.

Khảo sát địa vật lý[sửa | sửa mã nguồn]

Từ kế được ứng dụng rộng rãi trong khảo sát địa vật lý. Chúng thường được lắp trên máy bay, tàu thuyền, ô tô, hay đi bộ, để đo đạc và phát hiện dị thường từ.

Trong Vật lý Địa cầu, việc nghiên cứu dị thường khu vực, ví dụ các dị thường dạng dải song song với các sống núi giữa đại dương là dấu hiệu quan trọng trong xác minh thuyết tách giãn đáy biển, phần trọng tâm của kiến tạo mảng.[4]

Thăm dò từ trên mặt đất hoặc ở vùng biển ven bờ thì phục vụ nghiên cứu địa chất, địa vật lý, đặc biệt là tìm kiếm các quặng sắt bởi vì nó có thể phát hiện được những biến đổi từ tính gây ra bởi loại quặng này.[1].

Từ kế cũng được sử dụng trong quá trình khoan định hướng để nhận dạng góc phương vị của cần khoan gần choòng khoan. Đó là từ kế fluxgate ba thành phần, lắp đặt đồng thời với gia tốc kế trong cần khoan vì thế có thể nhận biết được độ nghiêng và góc phương vị của choòng khoan.

Từ kế cũng được sử dụng để nhận dạng các điểm khảo cổ, tàu chìm và các vật bị chôn vùi khác, như tìm vật chưa nổ (UXO),...

Dân sự[sửa | sửa mã nguồn]

Trong những năm gần đây từ kế đã được thu nhỏ đến mức mà có thể được kết hợp trong mạch tích hợp với chi phí rất thấp, và đang gia tăng sử dụng như la bàn trong các thiết bị tiêu dùng như điện thoại di độngmáy tính bảng.

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Magnetometer - the History. CT systems, 30 Sep 2007. Retrieved 9 Mar 2015.
  2. ^ Edelstein A., 2007. Advances in magnetometry. J. Phys.: Condens. Matter 19: 165217 (28pp).
  3. ^ What's Electron Magnetic Resonance? Magnet Lab, 2014. Truy cập 07 Dec 2014.
  4. ^ McElhinny M. W., McFadden P. L., 2000. Paleomagnetism: Continents and Oceans. Academic Press. ISBN 0-12-483355-1.

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]