Τι και πως να μετρήσεις - Μετρολογία

Η μετρολογία ορίζεται γενικά ως η «επιστήμη της μέτρησης». Αυτό, φυσικά, περιλαμβάνει την εφαρμογή της σε ένα τεράστιο φάσμα μετρήσεων στην επιστήμη, τη βιομηχανία, το περιβάλλον, καθώς και την υγειονομική περίθαλψη ή την ποιότητα των τροφίμων. Η μετρολογία είναι παντού γύρω από τον καθένα μας. Η μέτρηση μας παρέχει μια αναφορά για την καθημερινή μας ζωή στη μέτρηση του χρόνου, του βάρους, του μήκους και όλων των εκατοντάδων μετρήσεων που μας επηρεάζουν.

Η εμφάνιση κβαντικών προτύπων ήταν μια σημαντική και εξαιρετικά σημαντική εξέλιξη. Εκ των υστέρων, αυτά ήταν ένα από τα κίνητρα για αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο οργανώνεται η παγκόσμια μετρολογία και είχε επιπτώσεις σε εθνικό και διεθνές επίπεδο.

Για τον συντονισμό της παγκόσμιας μετρολογίας, ο ιστότοπος του Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) αναγνώρισε την ανάγκη ανάπτυξης μιας παγκόσμιας υποδομής μετρολογίας σε νέους τομείς όπως το περιβάλλον, η χημεία, η ιατρική και τα τρόφιμα.

Η βιομηχανία πιέζει το Εθνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας (NMIs) για καλύτερη απόδοση και σε ορισμένους τομείς πραγματικής πρακτικής ανάγκης. Οι δυνατότητες μέτρησης NMI εξακολουθούν να είναι αρκετά κοντά σε αυτό που απαιτεί η βιομηχανία.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Τα τελευταία 100 χρόνια έχουν αναπτυχθεί πολλές διαφορετικές μέθοδοι για τη μέτρηση των ιδιοτήτων των μαγνητικών υλικών και έχουν σχεδιαστεί εξελιγμένα εξαρτήματα, ζυγοί και συστήματα πηνίων. Πολλά από αυτά εξαφανίστηκαν όταν νέα υλικά απαιτούσαν εκτεταμένες συνθήκες μέτρησης. Με την πρόοδο στις ηλεκτρονικές τεχνικές μέτρησης, ορισμένα όργανα αντικαταστάθηκαν. Για παράδειγμα, οι μετρητές ροής και οι μετρητές αντοχής πεδίου με φαινόμενο Hall αντικατέστησαν βαλλιστικά γαλβανόμετρα και περιστρεφόμενα πηνία. Νέες μέθοδοι είναι έτοιμες να εισέλθουν στην τεχνική μαγνητικής μέτρησης. Μια νέα ευκαιρία είναι για το μαγνητόμετρο παλμών πεδίου (PFM). Αυτή η συσκευή μπορεί να συμπληρώσει τις δυνατότητες μιας υστερογραφίας για σκληρά μαγνητικά υλικά, αν και πρέπει να αναφερθεί ότι τα όργανα δεν είναι λιγότερο απαιτητικά. Οι σχετικές δυσκολίες απαιτούν προσεκτική ερμηνεία των αποτελεσμάτων.

Ορισμένες βασικές μέθοδοι στη μαγνητική μέτρηση λαμβάνονται ως γνωστές. Τα ροόμετρα χρησιμοποιούνται σε πολλές ρυθμίσεις μέτρησης για την ενσωμάτωση τάσεων που προκαλούνται στα πηνία μέτρησης για τη λήψη της μαγνητικής ροής. Σήμερα χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι αναλογικής ή ψηφιακής ολοκλήρωσης. Το ίδιο ισχύει και για μετρητές έντασης πεδίου που χρησιμοποιούν το φαινόμενο Hall. Αυτά τα όργανα, που συνήθως ονομάζονται Gauss ή Teslameters, είναι ευρέως διαδεδομένα. Σε πολλές περιπτώσεις είναι αδύνατο να προσδιοριστούν οι ιδιότητες των υλικών των συστατικών σε σχήμα που καθορίζεται από τις συνθήκες παραγωγής ή την εφαρμογή. Σε αυτές τις περιπτώσεις, συχνά εφαρμόζονται σχετικές μέθοδοι μέτρησης. Αυτά συνήθως συγκρίνουν μετρήσιμες ιδιότητες ή συνδυασμούς ιδιοτήτων με αυτές ενός δείγματος αναφοράς.

Βασικά, σχεδόν όλες οι ιδιότητες των υλικών, όπως οι μαγνητικές ιδιότητες, εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, εκτός από αυτές τις περιπτώσεις όπου ένα υλικό έχει σχεδιαστεί ειδικά για να είναι ανθεκτικό στις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, η θερμοκρασία επηρεάζει τη μηχανική σκληρότητα, την ηλεκτρική αντίσταση, τον μαγνητισμό ή την οπτική εκπομπή. Η θερμοκρασία είναι επίσης σημαντική για τον χαρακτηρισμό της απόδοσης των υλικών καθώς επηρεάζει την ακεραιότητα των υλικών όταν υπόκειται σε διάβρωση, τριβή και φθορά, βιογενείς επιπτώσεις ή αλληλεπιδράσεις υλικού -περιβάλλοντος. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι είναι δυνατές μετρήσεις εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία , αν και τεχνικά πιο περίπλοκες, όπως στην περίπτωση των μαγνητικών μετρήσεων.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Εγγενείς μαγνητικές ιδιότητες είναι εκείνες που χαρακτηρίζουν ένα δεδομένο υλικό (π.χ. αυθόρμητη μαγνήτιση, σταθερά μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας κ.λπ.), ενώ οι εξωγενείς ιδιότητες επηρεάζονται έντονα από τη μορφολογία του μαγνητικού αντικείμενου, σχήμα, μέγεθος καθώς και από τη μικροδομή του. Το πιο σημαντικό παράδειγμα είναι η μαγνητική ανισοτροπία σχήματος που προκαλείται από τη διπολική ενέργεια μέσω του απομαγνητίζοντος πεδίου: για ένα τρισδιάστατο σιδηρομαγνητικό αντικείμενο χαρακτηριστικές ποσότητες όπως η παραμένουσα μαγνήτιση και το πεδίο κόρου καθορίζονται κυρίως από το σχήμα και πολύ λιγότερο από την εγγενή μαγνητική ανισοτροπία. Μια άλλη εξωγενής επίδραση είναι ο ρόλος της μηχανικής καταπόνησης σε ένα δείγμα. Η καταπόνηση και οι μηχανικές τάσεις μπορεί να μεταβάλουν σημαντικά το σχήμα του βρόχου μαγνήτισης μέσω φαινομένων μαγνητοσυστολής.

Μαγνήτιση κόρου, αυθόρμητη μαγνήτιση

Η μαγνήτιση κόρου ενός υλικού M_sat, που ορίζεται ως η μαγνητική ροπή ανά μονάδα όγκου, έχει μεγάλο τεχνολογικό ενδιαφέρον επειδή καθορίζει τη μέγιστη μαγνητική ροή που μπορεί να παραχθεί για μια δεδομένη διατομή. Ωστόσο, η M_sat η  μαγνήτιση στον τεχνικό κορεσμό δεν είναι μια σαφώς καθορισμένη ποσότητα επειδή πρέπει να εφαρμοστεί ένα αρκετά μεγάλο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο ώστε να επιτευχθεί ομοιόμορφη μαγνήτιση εξαλείφοντας τις μαγνητικές περιοχές και ευθυγραμμίζοντας τη μαγνήτιση με την κατεύθυνση του πεδίου κατά των μαγνητικών ανισοτροπιών. Εντούτοις, συγχρόνως η μαγνήτιση σε οποιαδήποτε πεπερασμένη θερμοκρασία Τ>0 θα συνεχίσει να αυξάνεται με την αύξηση του εφαρμοζόμενου πεδίου (υψηλή μαγνητική επιδεκτικότητα). Η μόνη σαφώς καθορισμένη ποσότητα, ως εκ τούτου, είναι η αυθόρμητη μαγνήτιση M_S δηλαδή η ομοιόμορφη μαγνήτιση μέσα σε μια μαγνητική περιοχή σε μηδενικό εξωτερικό πεδίο.

Στην πράξη, η M_S  καθορίζεται με τη μέτρηση της μαγνήτισης ως συνάρτηση του εξωτερικού πεδίου,  M(H) (που σημαίνει τη συνιστώσα της μαγνήτισης παράλληλα με το εφαρμοζόμενο πεδίο) μέχρι τον τεχνικό κορεσμό, με γραμμική παρεμβολή των δεδομένων εντός της κορεσμένης περιοχής μέχρι ττο  H  =  0. Η γραμμική προσαρμογή είναι μια καλή προσέγγιση για θερμοκρασίες πολύ κάτω από τη θερμοκρασία Curie του σιδηρομαγνητικού υλικού.

Η συγκεκριμένη μεθοδολογία λειτουργεί καλύτερα αν το εξωτερικό πεδίο εφαρμόζεται κατά μήκος ενός εύκολου άξονα μαγνήτισης και είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για λεπτά υμένια λόγω της απουσίας ενός απομαγνητίζοντος πεδίου για μαγνήτιση εντός του επιπέδου του υμενίου. Συνήθως ένα σχετικά μικρό πεδίο είναι αρκετό για κορεσμό και δεν είναι απαραίτητη η παρεμβολή ως το H=0. Φυσικά, απαιτούνται υψηλότερα πεδία για σκληρά μαγνητικά υλικά. Σε υμένια που έχουν κυρίαρχη εγγενή ανισοτροπία με κάθετο εύκολο άξονα, η μέτρηση πρέπει να γίνεται κατά μήκος της κατεύθυνσης αυτής (κάθετα στην επιφάνεια του υμενίου).

Κατά τη σύγκριση της μαγνήτισης ενός λεπτού υμενίου με την τιμή του αντίστοιχου συμπαγούς υλικού δύο διαφορετικά φαινόμενα μπορεί να έχουν καθοριστική σημασία:

1. η μαγνήτιση ή η μαγνητική ροπή ανά άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση, δηλαδή σε Τ-0 Κ, μπορεί να εμφανιστεί ενισχυμένη. Ανάλογα με τον συγκεκριμένο συνδυασμό σιδηρομαγνητικού υλικού και υποστρώματος, η ενίσχυση μπορεί να φτάσει το 30% για ένα μόνο ατομικό στρώμα (π.χ. Fe σε Ag ή Au), αλλά θα εξαφανιστεί 3-4 ατομικά στρώματα μακριά από τη διεπαφή. Ανάλογα με τη δομή ενεργειακών ζωνών των υλικών, οι μαγνητικές ροπές στη διεπαφή μπορεί επίσης να εμφανιστούν μειωμένες σε ορισμένες περιπτώσεις (π.χ. για το Ni πάνω σε Cu).
2. οι θερμικές διέγερσεις που οδηγούν σε μείωση της M_S όσο αυξάνεται η θερμοκρασία είναι πιο έντονες σε λεπτά υμένια σε σύγκριση με τα συμπαγή υλικά. Σε υμένιο 10 ατομικών επιπέδων Fe πάνω σε Au, η M_S σε θερμοκρασία δωματίου μειώνεται κατά περίπου 10% σε σύγκριση με τον συμπαγή Fe. Η προέλευση αυτού του φαινόμενου είναι ο μειωμένος (μαγνητικός) συντονισμός σε επιφάνειες και διεπαφές, γεγονός που οδηγεί σε ενισχυμένη διέγερση των κυμάτων σπιν, για τον ίδιο λόγο η θερμοκρασία Curie μειώνεται σε υπέρλεπτα υμένια σε σύγκριση με το συμπαγές υλικό.

Χρονικά εξαρτώμενες μεταβολές στις μαγνητικές ιδιότητες

Τα σιδηρομαγνητικά υλικά παρουσιάζουν συχνά μια συνεχή μεταβολή της μακροσκοπικής μαγνήτισής τους με την πάροδο του χρόνου υπό σταθερό ή μηδενικό εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Αυτό συνήθως ονομάζεται μαγνητικό μεταφαινόμενο (magnetic aftereffect) ή μαγνητικό ιξώδες (magnetic viscosity) και μπορεί να συμβεί σε χρονική κλίμακα δευτερολέπτων, λεπτών ή ακόμη και χιλιάδων ετών. H θεμελιώδης φυσική αιτία είναι ότι ένα σιδηρομαγνητικό αντικείμενο με μαγνητική ροπή απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου είναι γενικά σε θερμοδυναμικά μετασταθή κατάσταση. Αυτό υποδεικνύεται από την παρουσία υστέρησης. Η κατάσταση ισορροπίας θα προσεγγιστεί ασυμπτωτικά μέσω σχηματισμού μαγνητικών πυρήνων και κινήσεις τοιχωμάτων περιοχών. Η κίνηση των τοιχωμάτων περιοχών είναι μια σχετικά αργή διαδικασία λόγω της αδράνειας που μπορεί να αποδοθεί σε ένα μαγνητικό τοίχωμα. δεδομένου ότι ενεργοποιείται θερμικά, εξαρτάται επίσης έντονα από τη θερμοκρασία. Για τον ίδιο λόγο, το συνεκτικό πεδίο ενός δείγματος εξαρτάται από τη χρονική διάρκεια της μέτρησης εάν η αντιστροφή της μαγνήτισης συμβαίνει μέσω τοιχωμάτων μαγνητικών περιοχών. Αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη σύγκριση των δεδομένων που λαμβάνονται με ημιστατικές μετρήσεις με εκείνα που εξάγονται από μετρήσεις υψηλής ταχύτητας.

Η απουσία τοιχωμάτων μαγνητικών περιοχών για ένα ομοιόμορφα μαγνητισμένο δείγμα η μαγνήτιση ανταποκρίνεται στη ροπή που ασκείται από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο με μια μεταπτωτική κίνηση του διανύσματος της μαγνήτισης γύρω από το πεδίο, και περιγράφεται από την εξίσωση Landau-Lifschitz–Gilbert. Κατά συνέπεια, σε αυτές τις περιπτώσεις ο μέγιστος ρυθμός μεταβολής της μαγνήτισης περιορίζεται από τη συχνότητα μετάπτωσης του διανύσματος της μαγνήτισης, ο οποίος για τα συνήθη υλικά όπως Fe, Co, Ni και τα κράματά τους είναι μεταξύ 1 GHz και 20 GHz σε μεσαίου μεγέθους εφαρμοζόμενα μαγνητικά πεδία. Είναι προφανές ότι η δυναμική της μαγνήτισης σε ένα χρονοδιάγραμμα νανοδευτερόλεπτων και μικρότερο είναι σημαντική για μαγνητικές συσκευές σε εφαρμογές υψηλών συχνοτήτων.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Οι σημαντικότερες μαγνητικές ποσότητες ορίζονται στα ακόλουθα σε συνδυασμό με τις κύριες μεθόδους μέτρησης.

Το μαγνητικό πεδίο H,ή πυκνότητα ροής Β,(τα οποία είναι ισοδύναμα στον ελεύθερο χώρο) μετρώνται με μετρητές Hall, επαγωγικούς ανιχνευτές (π.χ. μαγνητόμετρα ροής-πύλης για πολύ χαμηλά πεδία) ή ανιχνευτές πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR)για πολύ υψηλή ακρίβεια.

Οι μαγνητικές ροπές μετρώνται από διαφορετικούς τύπους μαγνητομέτρων

• μέσω της δύναμης που ασκείται από μια βαθμίδα μαγνητικού πεδίου [π.χ. ζυγός Faraday, ή μαγνητόμετρο εναλλασσόμενης βαθμίδας (AGM: Altnernating Gradient Magnetometer)
• μέσω της τάσης που προκαλείται σε ένα πηνίο με την κίνηση του δείγματος, π.χ. το μαγνητόμετρο δονούμενου δείγματος (VSM: Vibrating Sample Magnetometer) είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο τυποποιημένο όργανο, ή ένα μαγνητόμετρο υπεραγώγιμης κβαντικής συμβολής (SQUID: Super Conducting Quantum Interference Device) για υψηλότερη ευαισθησία.

Η (μέση) μαγνήτιση  ενός μαγνητικού αντικειμένου καθορίζεται συνήθως διαιρώντας τη μαγνητική ροπή με τον όγκο του δείγματος. Πρέπει επίσης να λαμβάνεται υπόψιν και ο διανυσματικός χαρακτήρας της μαγνητικής ροπής, που αποκτά ιδιαίτερη σημασία στην περίπτωση δειγμάτων με σημαντική μαγνητική ανισοτροπία που διαμορφώνεται από το σχήμα του δείγματος.

Όλα αυτά τα όργανα χρειάζονται προσεκτική βαθμονόμηση, διαδικασία που είναι σημαντική και απαιτητική καθώς η μετρητική διαδικασία επηρεάζεται και από το μέγεθος και το σχήμα του δείγματος.

Οι μαγνητικές ροπές που σχετίζονται με διαφορετικά χημικά στοιχεία ενός δείγματος μπορούν να μετρηθούν επιλεκτικά μέσω μαγνητικού κυκλικού διχρωϊσμού ακτίνων Χ(MXCD: Μagnetic X-ray Circular Dichroism) χρησιμοποιώντας κυκλικά πολωμένες ακτίνες Χ από κατάλληλη πηγή ακτινοβολίας σύγχροτρον. Αυτή η μέθοδος επιτρέπει το διαχωρισμό των συνεισφορών στη μαγνητική ροπή λόγω σπιν και λόγω τροχιάς.

Σε περιπτώσεις που επαρκεί μόνο η σχετική τιμή της μαγνήτισης χρειάζεται και όχι το ακριβές μέγεθος της τότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικές μέθοδοι για τη μέτρηση, για παράδειγμα, της M ως συνάρτηση της θερμοκρασίας ή του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Οι μέθοδοι αυτές περιλαμβάνουν μαγνητο-οπτικά φαινόμενα[π.χ. το μαγνητο-οπτικό φαινόμενο Kerr (MOKE: Μagneto Optic Kerr Effect) ή το μαγνητικό πεδίο υπέρλεπτης υφής που μετράται με τη χρήση του φαινομένου Mößbauer, τις διαταραχές των γωνιακών συσχετίσεων (PAC: Pertubated Angular Corellations) εκπομπής γ ή τον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR: Nuclear Magnetic Resonance). Ενώ  το MOKE  χρησιμοποιείται ευρέως για τον χαρακτηρισμό μαγνητικών υλικών, οι πυρηνικές μέθοδοι λόγω της σχετικής πολυπλοκότητάς τους περιορίζονται σε ειδικές εφαρμογές όπου οι τυποποιημένες τεχνικές δεν παρέχουν επαρκείς πληροφορίες.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Η μαγνητική βαθμονόμηση διορθώνει σταθερές αποκλίσεις που τυχόν εμφανίζονται τόσο στο εφαρμοζόμενο όσο και στο μετρούμενο μαγνητικό πεδίο.

Βαθμονόμηση εφαρμοζόμενου πεδίου

Το πεδίο βαθμονομείται με τη χρήση ενός πηνίου του οποίου η ενεργή επιφάνεια περιέλιξης έχει προσδιοριστεί από μια βαθμονόμηση NMR. Η επαγώμενη τάση u(t) υπολογίζεται με την προσαρμογή της εξίσωσης,

για να προσδιορίσουμε το παράγοντα βαθμονόμησης πεδίου k, τον παράγοντα απόσβεσης α και τη διάρκεια των παλμών (συμπεριλαμβάνοντας τον παράγοντα απόσβεσης). Με τη διαδικασία αυτή, επιτυγχάνεται βαθμονόμηση πεδίου με ακρίβεια 1%.

Βαθμονόμηση μαγνήτισης (μετρούμενο μαγνητικό πεδίο)

Η μαγνήτιση βαθμονομείται με τη χρήση γνωστών υλικών όπως το Fe και το Ni (στα οποία τα ρεύματα eddy οδηγούν σε αβεβαιότητες στις μετρήσεις) ή κατά προτίμηση ένα μη αγώγιμο δείγμα όπως το Fe₃O₄. Συνήθως οι μετρήσεις βαθμονόμησης πραγματοποιούνται σε θερμοκρασία δωματίου, όπως δείχνει και ο πίνακας που ακολουθεί για βαθνομόμηση ενός PFM. Για τον έλεγχο της επαναληψιμότητας, κάθε μέτρηση επαναλαμβάνεται πολλές φορές (π.χ. 10) και προκύπτει η μέση τιμή <M>. Στα μεταλλικά δείγματα παρουσιάζεται σφάλμα 1-2% λόγω των ρευμάτων eddy. Η μέση τιμή των αποκλίσεων είναι D_mv=1.6% που είναι υψηλότερη από τις πραγματικές τιμές και εμφανίζει τυπική απόκλιση 0.95%. Οι τυπικές αποκλίσεις όσον αφορά την επαναληψιμότητα δίνουν έδωσαν μέση τιμή 0. 19%. Ως εκ τούτου, η απόκλιση είναι, στη χειρότερη περίπτωση, 1. 14%. Αυτό σημαίνει ότι η τιμή μαγνήτισης μετράται με απόλυτη ακρίβεια  ±1. 14%.

10.10 L. R. Moskowitz: Permamnent Magnet Design and Application Handbook (Cahners Books International, Boston 1976) pp. 128–131

10.11 G. Bertotti, E. Ferrara, F. Fiorillo, M. Pasquale: Loss measurements on amorphous alloys under sinusoidal and distorted induction waveform using

a digital feedback technique, J. Appl. Phys. 73, 5375–5377 (1993)

10.12 D. Son, J. D. Sievert, Y. Cho: Core loss measurements including higher harmonics of magnetic induction in electrical steel, J. Magn. Magn. Mater. 160, 65–67 (1996)

Αξιοπιστία

H αξιοπιστία της διαδικασίας βαθμονόμησης, μπορεί να γίνει με ένα "δείγμα αναφοράς"    με "γνωστά" χαρακτηριστικά και εάν η διαφορά μεταξύ των μετρούμενων και των τιμών βιβλιογραφίας είναι  μικρότερη από το δεδομένο σφάλμα βαθμονόμησης  (δηλαδή <1%), η συγκεκριμένη βαθμονόμηση κρίνεται ως αξιόπιστη.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Για να προσδιοριστεί το συνεκτικό πεδίο του δείγματος κάτω από πεδία με διαφορετικούς ρυθμούς σάρωσης, οι βρόχοι υστέρησης καταγράφονται σε σταθερή θερμοκρασία χρησιμοποιώντας μαγνητόμετρο παλμικού πεδίου (PFM) και εφαρμόζοντας ένα αρκετά υψηλό μέγιστο πεδίο. Ο ρυθμός σάρωσης dH/dt  μπορεί να διαμορφωθεί είτε μεταβάλλοντας την χωρητικότητα της τροφοδοσίας μπαταρίας συμπυκνωτή είτε αλλάζοντας το πλάτος του πεδίου ή και τα δύο.

Τα δείγματα σκόνης μπορούν να μετρηθούν με τον ίδιο τρόπο όπως οι συμπαγείς μαγνήτες εάν η σκόνη γεμίσει σε μία μη μαγνητική δειγματοδόχη, για παράδειγμα ένα δαχτυλίδι ορείχαλκου που σφραγίζεται με ένα λεπτό συγκολλητικό φύλλο στο κάτω μέρος.

Γενικά, η σταθερά μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας μπορεί να προσδιοριστεί  από μετρήσεις μονοκρυστάλλου σε μαγνητόμετρο ροπής ή παρόμοια συσκευή. Οι μονοκρύσταλλοι δεν είναι διαθέσιμοι σε πολλά υλικά. Σε αυτή την περίπτωση, το πολυκρυσταλλικό υλικό μπορεί μερικές φορές να ευθυγραμμιστεί σε ένα εξωτερικό πεδίο και στη συνέχεια η μαγνήτιση M(H) μετράται παράλληλα και κάθετα προς το εξωτερικό πεδίο. Οι καμπύλες που προκύπτουν με αυτόν τον τρόπο μπορούν να προσαρμοστούν μαθηματικά, γεγονός που επιτρέπει επίσης την εκτίμηση της μαγνητοκρυσταλλινής  ανισοτροπίας.

Γεωμετρία δείγματος

Η επίδραση της γεωμετρίας δειγμάτων στην ακρίβεια μετρήσεων μελετάται σε ένα σύνολο βιομηχανικών μαλακών μαγνητικών φερριτών  (3C30  Philips) με διαφορετικά σχήματα. Αυτό το υλικό έχει μαγνήτιση στη θερμοκρασία δωματίου περίπου 0. 55 T, ενώ η θερμοκρασία Curie  είναι περίπου 240 ^οC. Η πυκνότητα είναι 4800 kg/m³. Δεδομένου ότι αυτό το υλικό είναι μονωτής, δεν υπάρχουν επιδράσεις των ρευμάτων eddy. Τα δείγματα  μετρήθηκαν σε μαγνητόμετρο PFM σε θερμοκρασία δωματίου (21º C±1 ^οC) με ίδιες συνθήκες με  πλάτος 2 T και διάρκεια παλμών 56 ms. Οι τιμές μαγνήτισης των τριών διαφορετικών  κυβικών δειγμάτων παρουσιάζουν διαφορά έως και 0. 6%. Η τιμή για τη σφαίρα παρουσιάζει τη μεγαλύτερη διαφορά 2% σε σχέση με τη μέση τιμή των κύβων.

Μαγνήτιση, σχήματα και μάζες των δειγμάτων 3C30 σε H =  2 T των δειγμάτων 3C30

Περιορισμοί

Ρεύματα eddy: Η εφαρμογή ενός μεταβλητού πεδίου προκαλεί ρεύματα eddy σε μεταλλικά δείγματα οδηγεί στην εμφάνιση μιας δυναμικής μαγνήτισης  M_eddy  που είναι ανάλογη με τη μεταβολή dH/dt; ο συντελεστής αναλογίας είναι η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα. Επιπλέον, η Μ_eddy  μεταβάλλεται με το R²  (R είναι η ακτίνα ενός σφαιρικώς συμμετρικού δείγματος), που σημαίνει ότι το σφάλμα αυξάνεται πολύ απότομα με την αύξηση της διαμέτρου του δείγματος. Οι περισσότεροι μεταλλικοί μόνιμοι μαγνήτες είναι πυροσυσσωματωμένα υλικά όπου η ειδική αντίσταση (συνήθως 2×10⁻⁴  Ω  m) είναι γενικά ένας παράγοντας 50-100 υψηλότερος από αυτόν του Cu. Ως εκ τούτου, το σφάλμα στις μετρήσεις μαγνήτισης λόγω των ρευμάτων eddy είναι συνήθως μικρό.

Μαγνητικό ιξώδες:  Όταν ο βρόχος υστέρησης των σκληρών μαγνητικών υλικών μετράται σε μεταβλητά πεδία το λεγόμενο μαγνητικό ιξώδες προκαλεί διαφορά μεταξύ του μετρούμενου βρόχου και του πραγματικού βρόχου. Το μαγνητικό ιξώδες παρατηρείται επίσης σε μη εισαγωγικά υλικά (π.χ. φερρίτη), επομένως δεν οφείλεται σε ρεύματα eddy.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Τα μαγνητόμετρα μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με διαφορετικά κριτήρια.

Φυσικo Φαινόμενο: Σύμφωνα με το κριτήριο αυτό, τα μαγνητόμετρα μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με το φαινόμενο στο οποίο στηρίζονται οι αντίστοιχοι αισθητήρες πχ. αν αξιοποιούν τον νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday ονομάζονται μαγνητόμετρα επαγωγής. Μαγνητόμετρα που λειτουργούν με την αρχή ότι ηλεκτρικό ρεύμα εντός μαγνητικού πεδίου μπορεί να ασκήσει μια δύναμη Lorentz ονομάζονται μαγνητόμετρα μαγνητικής δύναμης. Όπου η αντίσταση του αγωγού αλλάζει στο μαγνητικό πεδίο, αυτός ο τύπος αισθητήρα ονομάζεται μαγνητόμετρο μαγνητοαντίστασης. Μαγνητόμετρα με βάση το μαγνητο-οπτικό φαινόμενο Faraday καλούνται μαγνητο-οπτικά μαγνητόμετρα, όπως το οπτικό μαγνητόμετρο οπτικής άντλησης ενώ οι μαγνητικοί αισθητήρες που βασίζονται στο φαινόμενο Josephson ονομάζονται συσκευές κβαντικής συμβολής (SQUID) κ.λπ.

Τεχνολογία ανίχνευσης: Αυτή η ταξινόμηση βασίζεται στη μεθοδολογία μέτρησης. Παρά το γεγονός ότι το φυσικό φαινόμενο είναι το ίδιο, μπορεί να διαφοροποιείται η μεθοδολογία ανίχνευσης, η οποία οφείλεται στο γεγονός ότι οι μέθοδοι μέτρησης μαγνητικού πεδίου βασίζονται σε διαφορετικά φυσικά φαινόμενα που σχετίζονται με το μαγνητικό πεδίο. Υπάρχουν δεκάδες μέθοδοι για τη μέτρηση του μαγνητικού πεδίου αυτή τη στιγμή. Οι πιο βασικές, ευρείας χρήσης και ανάπτυξης χωρίζονται στους ακόλουθους τύπους: μέθοδος δύναμης και ροπής, μέτρησης μέσω της δύναμης Lorentz που εμφανίζεται στο μαγνητικό πεδίο. ηλεκτρομαγνητική μέθοδος επαγωγής, βασισμένη στο νόμο της επαγωγής Faraday. Μπορούν να μετρήσουν DC, AC, παλλόμενα μαγνητικά πεδία, συμπεριλαμβάνοντας συνήθως ένα βαλλιστικό γαλβανόμετρο, μετρητή ροής, ολοκληρωμένα κυκλώματα, μαγνητόμετρο περιστρεφόμενου πηνίου περιστροφής, μαγνητόμετρο δονούμενου πηνίου κ.λπ. Αξιοποιούν μεθοδολογίες φαινομένου Hall, μαγνητοαντίστασης, μαγνητικού συντονισμού, υπεραγώγιμης κβαντικής συμβολής (SQUID), πύλης μαγνητικής ροής, μαγνητο-οπτικές, μαγνητοσυστολικές κλπ.

Χωρική μέτρηση: Ανάλογα με τη δυνατότητα καταγραφής της διανυσματικής πληροφορίας του  μαγνητικού πεδίου, υπάρχουν διανυσματικοί αισθητήρες που είναι διαθέσιμοι για τη μέτρηση του μαγνητικού πεδίου κατά μήκος του άξονα ευαισθησίας του μαγνητόμετρου και βαθμωτοί (συνολικοί) αισθητήρες, οι οποίοι μπορούν να μετρήσουν μόνο το μέτρο του διανύσματος του μαγνητικού πεδίου. Υπάρχουν επίσης σημειακοί αισθητήρες που μπορούν να μετρήσουν σε ένα σημείο του χώρου το μαγνητικό πεδίο και μαγνητόμετρα που μπορούν να μετρήσουν μόνο τις μέσες πληροφορίες μαγνητικού πεδίου σε μια συγκεκριμένη περιοχή, ανάλογα σχετίζεται με το μέγεθος του στοιχείου ανίχνευσης του μαγνητόμετρου. Ωστόσο, δεν υπάρχουν ενιαία κριτήρια για την ταξινόμηση αυτή. Αν η ευαισθησία της κατεύθυνσης του στοιχείου ανίχνευσης σε σύγκριση με το εύρος των μετρήσεων είναι αρκετά μικρή, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι ο αισθητήρας είναι σε θέση να λειτουργήσει ως σημειακός μετρητής μαγνητικού πεδίου.

Διακριτική ικανότητα: Αυτή η σημαντική μέθοδος ταξινόμησης, βασίζεται στην περιοχή ευαισθησίας και στη διακριτική ικανότητα των διαφόρων ειδικών μαγνητόμετρων. Το προς μέτρηση μαγνητικό πεδίο μπορεί γενικά να χωριστεί σε τρεις κατηγορίες ως εξής: ασθενές μαγνητικό πεδίο (<1 mG=0.1 nT)· μεσαίο μαγνητικό πεδίο (1 mG–10 G),  ισχυρό μαγνητικό πεδίο (>10 G). Η ταξινόμηση αυτή βασίζεται στην ένταση του γεωμαγνητικού πεδίου. Αντίστοιχα, τα μαγνητόμετρα που μετρούν τα παραπάνω μαγνητικά πεδία χωρίζονται επίσης σε τρεις τύπους: μαγνητόμετρα υψηλής, μέσης, χαμηλής διακριτικής ικανότητας.

Πηγή κειμένου: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/magnetometer