مغناطیس سنج های Fluxgate/نخستین بار در جنگ جهانی دوم

از خاصیت اشباع مغناطیسی مواد فرومغناطیس برای طراحی سیستم مغناطیس سنج های Fluxgate استفاده می شود. بسته به نحوه توجیه مغناطیس سنج های Fluxgate، این سنجنده ها قادر به اندازه گیری هر یک از مؤلفه های میدان مغناطیسی زمین هستند.

مغناطیس سنج های Fluxgate نخستین بار در جنگ جهانی دوم برای ردیابی زیردریایی ها و شناسایی کشتی های غرق شده توسط هواپیما هایی با ارتفاع پرواز پایین به کار رفتند. سیستم مغناطیس سنج های Fluxgate بر اساس خاصیت اشباع مغناطیسی (Magnetic Saturation) در مواد فرومغناطیس به هنگام حضور یکی میدان مغناطیسی خارجی طراحی شده است. مواد فرومغناطیس موادی هستند که از چندین حوزه مغناطیسی تشکیل شده اند و هر یک از این حوزه ها دارای دو قطبی های مغناطیسی همسو هستند. هنگامی که این مواد در مجاورت یک میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند، تمام حوزه های مغناطیسی آنها همسو شده و تبدیل به آهنربا می­شوند.

راستای دو قطبی های مغناطیسی یک ماده فرومغناطیس در غیاب و حضور میدان مغناطیسی خارجی

سیستم مغناطیس سنج های Fluxgate بر اساس خاصیت اشباع مغناطیسی (Magnetic Saturation) در مواد فرومغناطیس به هنگام حضور یکی میدان مغناطیسی خارجی طراحی شده است

در واقع می توان گفت که قرار گرفتن مواد فرومغناطیس در درون یک میدان مغناطیسی خارجی موجب القاء شدن یک میدان مغناطیسی در آنها و در نتیجه مغناطیده شدن این مواد در یک راستای خاص می گردد. با این حال پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی، میدان القاء شده درون مواد فرومغناطیس از بین نمی رود و فقط زمانی مقدار میدان القائی به صفر می رسد که این جسم درون یک میدان خارجی با جهتی مخالف جهت میدان اولیه قرار گیرد.

مغناطیدگی القائی ماده فرومغناطیس را می توان تابعی از شدت میدان مغناطیسی خارجی دانست؛ هرچه شدت میدان مغناطیسی خارجی بیشتر باشد، شدت میدان القاء شده در ماده فرومغناطیس بیشتر خواهد بود. اگر ماده فرومغناطیس درون یک میدان مغناطیسی تناوبی قرار گیرد، نمودار مغناطیدگی آن بر حسب میدان مغناطیسی تناوبی یک حلقه بسته خواهد بود که به آن حلقه هیسترزیس (Hystersis Loop) می گویند. اشباع مغناطیسی در مواد فرومغناطیس هنگامی رخ می­دهد که افزایش شدت میدان القاء کننده (یا همان میدان مغناطیسی خارجی) دیگر موجب افزایش  شدت میدان القاء شده نگردد.

منحنی هیسترزیس برای یک ماده فرومغناطیس و اشباع مغناطیسی این ماده در حضور میدان مغناطیسی خارجی تناوبی

در مغناطیس سنج های Fluxgate با ایجاد یک ولتاژ القائی و نسبت دادن این ولتاژ به میدان مغناطیسی خارجی که در اینجا همان میدان مغناطیسی زمین است، شدت میدان اندازه گیری می شود. القاء کردن ولتاژ مورد نظر در مغناطیس سنج های Fluxgate بر اساس یک میدان مغناطیسی تناوبی صورت می گیرد.

به منظور ایجاد میدان مغناطیسی تناوبی در مغناطیس سنج های Fluxgate، دو میله یکسان از جنس یک ماده فرومغناطیس با قابلیت مغناطیدگی بسیار بالا در نزدیکی یکدیگر و به صورت موازی قرار می گیرند. قابلیت مغناطیدگی در این ماده فرومغناطیس به حدی زیاد است که حتی در حضور میدان مغناطیسی نسبتا ضعیف زمین نیز به حالت اشباع مغناطیسی می رسند. با پیچاندن یک رشته سیم به دور هر یک از میله ها، دو سیم پیچ اولیه در دو جهت مخالف به وجود می آید. علاوه بر این، یک رشته سیم دیگر نیز به دور هر هسته پیچانده شده که یک سیم پیچ ثانویه را تولید می کند. عبور دادن یک جریان متناوب (AC) از این سیم پیچ ها موجب القای یک میدان مغناطیسی درون هر یک از میله ها می گردد که شدت آنها برابر است اما در دو جهت مخالف توجیه می شوند.

شمایی از سیستم مغناطیس سنج های Fluxgate

در مغناطیس سنج های Fluxgate با ایجاد یک ولتاژ القائی و نسبت دادن این ولتاژ به میدان مغناطیسی خارجی که در اینجا همان میدان مغناطیسی زمین است، شدت میدان اندازه گیری می شود. القاء کردن ولتاژ مورد نظر در مغناطیس سنج های Fluxgate بر اساس یک میدان مغناطیسی تناوبی صورت می گیرد.

میدان القاء شده در هسته ها توسط سیم پیچ اولیه باعث ایجاد یک ولتاژ در سیم پیچ ثانویه می گردد. از آنجا که میدان های مغناطیسی القاء شده در دو هسته اولیه دارای شدت یکسان و جهت های مخالف هستند که اثر یکدیگر را در سیم پیچ ثانویه کاملا خنثی می کنند، در غیاب یک میدان مغناطیسی خارجی (میدان مغناطیسی زمین) ولتاژ اندازه گیری شده در سیم پیچ ثانویه باید صفر باشد.

اگر میله ها در راستای یکی از مؤلفه های میدان مغناطیسی خارجی قرار گیرند، درون یکی از هسته ها یک میدان مغناطیسی در جهت میدان خارجی القاء می شود و در هسته دوم میدان القائی در جهت مخالف میدان خارجی قرار می گیرد که شدت آن کمتر از شدت میدان القائی در هسته اول است. اختلاف شدت بین دو میدان القاء شده موجب القای ولتاژی در سیم پیچ ثانویه می شود که متناسب با شدت میدان مغناطیسی خارجی است. بنابراین، با توجیه مناسب مغناطیس سنج های Fluxgate می توان هر یک از مؤلفه های میدان مغناطیسی زمین را اندازه گیری کرد. بدین منظور سنجنده باید به نحوی توجیه شود که میله های فرومغناطیسی آن موازی مؤلفه مورد جستجوی میدان مغناطیسی قرار گیرند. مغناطیس سنج های Fluxgate قادر به اندازه گیری میدان مغناطیسی زمین با حساسیت ۱- ۵/۰ نانو تسلا هستند.

با توجیه مناسب مغناطیس سنج های Fluxgate می توان هر یک از مؤلفه های میدان مغناطیسی زمین را اندازه گیری کرد. بدین منظور سنجنده باید به نحوی توجیه شود که میله های فرومغناطیسی آن موازی مؤلفه مورد جستجوی میدان مغناطیسی قرار گیرند.

مراجع:

        Å. Forslund, “Designing a Miniaturized Fluxgate Magnetometer,” Master of Science Dissertation, Royal Institute of Technology, Stockholm, .Sweden, ۲۰۰۶