مقياس المغناطيسية

مقياس المغناطيسية هو جهاز يقيس المجال المغناطيسي أو عزم ثنائي القطب المغناطيسي . تقيس أنواع مختلفة من مقاييس المغناطيسية اتجاه أو قوة أو التغير النسبي للمجال المغناطيسي في موقع معين. البوصلة هي أحد هذه الأجهزة، وهي تقيس اتجاه المجال المغناطيسي المحيط، في هذه الحالة، المجال المغناطيسي للأرض . تقيس مقاييس المغناطيسية الأخرى عزم ثنائي القطب المغناطيسي لمادة مغناطيسية مثل المغناطيس الحديدي ، على سبيل المثال عن طريق تسجيل تأثير هذا القطب المغناطيسي على التيار المستحث في ملف.

تم اختراع أول مقياس مغناطيسي قادر على قياس شدة المجال المغناطيسي المطلق عند نقطة في الفضاء بواسطة كارل فريدريش جاوس في عام 1833، ومن بين التطورات البارزة في القرن التاسع عشر تأثير هول ، والذي لا يزال يستخدم على نطاق واسع.

تُستخدم مقاييس المغناطيسية على نطاق واسع لقياس المجال المغناطيسي للأرض، وفي المسوحات الجيوفيزيائية ، للكشف عن الشذوذ المغناطيسي من مختلف الأنواع، وتحديد عزم ثنائي القطب للمواد المغناطيسية. في نظام مرجعي لموقف واتجاه الطائرة ، تُستخدم عادةً كمرجع للاتجاه . تُستخدم مقاييس المغناطيسية أيضًا من قبل الجيش كآلية تشغيل في المناجم المغناطيسية للكشف عن الغواصات. وبالتالي، تصنف بعض البلدان، مثل الولايات المتحدة وكندا وأستراليا، مقاييس المغناطيسية الأكثر حساسية على أنها تقنية عسكرية، وتتحكم في توزيعها.

يمكن استخدام أجهزة قياس المغناطيسية كأجهزة كشف معادن : فهي لا تستطيع اكتشاف سوى المعادن المغناطيسية ( الحديدية )، ولكنها تستطيع اكتشاف مثل هذه المعادن على مسافة أكبر بكثير من أجهزة الكشف عن المعادن التقليدية، والتي تعتمد على التوصيل. أجهزة قياس المغناطيسية قادرة على اكتشاف الأجسام الكبيرة، مثل السيارات، على مسافة تزيد عن 10 أمتار (33 قدمًا)، في حين أن مدى أجهزة الكشف عن المعادن التقليدية نادرًا ما يتجاوز 2 متر (6 أقدام و7 بوصات).

في السنوات الأخيرة، تم تصغير حجم أجهزة قياس المغناطيسية إلى الحد الذي يمكن من خلاله دمجها في الدوائر المتكاملة بتكلفة منخفضة للغاية، كما أنها تجد استخدامًا متزايدًا كبوصلات مصغرة ( مستشعر المجال المغناطيسي MEMS ).

المجالات المغناطيسية هي كميات متجهة تتميز بكل من القوة والاتجاه. يتم قياس قوة المجال المغناطيسي بوحدات تسلا في وحدات النظام الدولي للوحدات ، وبالغاوس في نظام وحدات سغث-ثانية. 10000 غاوس تساوي تسلا واحدًا. ^[1] غالبًا ما يتم اقتباس قياسات المجال المغناطيسي للأرض بوحدات النانو تسلا (nT)، والتي تسمى أيضًا جاما. ^[2] يمكن أن يختلف المجال المغناطيسي للأرض من 20000 إلى 80000 نانو تسلا حسب الموقع، وتكون التقلبات في المجال المغناطيسي للأرض في حدود 100 نانو تسلا، ويمكن أن تكون اختلافات المجال المغناطيسي بسبب الشذوذ المغناطيسي في نطاق بيكو تسلا (pT). ^[3] أجهزة قياس الغاوس وأجهزة قياس التسلا هي أجهزة قياس مغناطيسية تقيس بوحدات الغاوس أو التسلا على التوالي. في بعض السياقات، يستخدم مصطلح مقياس المغناطيسية للإشارة إلى أداة تقيس حقولًا أقل من 1 ملي تسلا (mT)، ويستخدم مصطلح جاوس للإشارة إلى تلك التي تقيس حقولًا أكبر من 1 mT. ^[1]

هناك نوعان أساسيان من قياسات مقياس المغناطيسية. يقيس مقياس المغناطيسية المتجه المكونات المتجهة للحقل المغناطيسي. يقيس مقياس المغناطيسية الكلي أو مقياس المغناطيسية القياسي مقدار المجال المغناطيسي المتجه. ^[4] قد تعبر مقاييس المغناطيسية المستخدمة لدراسة المجال المغناطيسي للأرض عن المكونات المتجهة للحقل من حيث الانحراف (الزاوية بين المكون الأفقي لمتجه المجال والشمال الحقيقي أو الجغرافي) والميل ( الزاوية بين متجه المجال والسطح الأفقي). ^[5]

تقيس مقاييس المغناطيسية المطلقة المجال المغناطيسي المطلق أو المتجه، باستخدام معايرة داخلية أو ثوابت فيزيائية معروفة للمستشعر المغناطيسي. ^{[6] تقيس} مقاييس المغناطيسية النسبية المجال المغناطيسي المطلق أو المتجه بالنسبة إلى خط أساس ثابت ولكن غير معاير. تُستخدم مقاييس المغناطيسية النسبية، والتي تسمى أيضًا مقاييس التباين ، لقياس الاختلافات في المجال المغناطيسي.

يمكن أيضًا تصنيف مقاييس المغناطيسية حسب وضعها أو استخدامها المقصود. يتم تثبيت مقاييس المغناطيسية الثابتة في موضع ثابت ويتم إجراء القياسات أثناء ثبات مقياس المغناطيسية. ^{[4] مقاييس المغناطيسية} المحمولة أو المتنقلة مخصصة للاستخدام أثناء الحركة ويمكن حملها يدويًا أو نقلها في مركبة متحركة. تُستخدم مقاييس المغناطيسية المعملية لقياس المجال المغناطيسي للمواد الموضوعة داخلها وهي ثابتة عادةً. تُستخدم مقاييس المغناطيسية المساحية لقياس المجالات المغناطيسية في المسوحات الجيومغناطيسية؛ قد تكون محطات أساسية ثابتة، كما هو الحال في شبكة INTERMAGNET ، أو مقاييس مغناطيسية متنقلة تستخدم لمسح منطقة جغرافية.

يتم وصف أداء وقدرات أجهزة قياس المغناطيسية من خلال مواصفاتها الفنية. تتضمن المواصفات الرئيسية ^{[1] [3]}

• معدل أخذ العينات هو عدد القراءات المعطاة في الثانية. والعكس هو زمن الدورة بالثواني لكل قراءة. معدل أخذ العينات مهم في أجهزة قياس المغناطيسية المتنقلة؛ حيث يحدد معدل أخذ العينات وسرعة السيارة المسافة بين القياسات.
• يحدد عرض النطاق الترددي أو نطاق الترددي مدى قدرة مقياس المغناطيسية على تتبع التغيرات السريعة في المجال المغناطيسي. بالنسبة لمقاييس المغناطيسية التي لا تحتوي على معالجة إشارة مدمجة ، يتم تحديد عرض النطاق الترددي من خلال حد نيكويست الذي يتم تعيينه بواسطة معدل العينة. قد تقوم مقاييس المغناطيسية الحديثة بإجراء تنعيم أو حساب المتوسطات على عينات متسلسلة، مما يؤدي إلى تحقيق ضوضاء أقل في مقابل عرض نطاق ترددي أقل.
• الدقة هي أصغر تغيير في المجال المغناطيسي يمكن لجهاز قياس المغناطيسية أن يحدده. يجب أن يكون لجهاز قياس المغناطيسية دقة أقل كثيرًا من أصغر تغيير يرغب المرء في ملاحظته. ويشمل هذا خطأ التكميم الذي يحدث بسبب تسجيل التقريب والقطع للتعبيرات الرقمية للبيانات.
• الخطأ المطلق هو الفرق بين قراءات المجال المغناطيسي الحقيقي لجهاز قياس المغناطيسية.
• الانجراف هو التغير في الخطأ المطلق بمرور الوقت.
• الاستقرار الحراري هو اعتماد القياس على درجة الحرارة. يتم إعطاؤه كمعامل درجة حرارة بوحدات nT لكل درجة مئوية.
• الضوضاء هي التقلبات العشوائية التي يولدها مستشعر المغناطيسية أو الإلكترونيات. يتم تحديد الضوضاء بوحدات ، حيث يشير مكون التردد إلى النطاق الترددي.${\displaystyle {\rm {{nT}/{\sqrt {\rm {Hz}}}}}}$
• الحساسية هي الأكبر من الضوضاء أو الدقة.
• خطأ الاتجاه هو التغيير في القياس بسبب تغيير اتجاه الجهاز في مجال مغناطيسي ثابت.
• المنطقة الميتة هي المنطقة الزاوية لاتجاه مقياس المغناطيسية حيث ينتج الجهاز قياسات رديئة أو لا ينتج أي قياسات على الإطلاق. تتعرض جميع أجهزة قياس المغناطيسية التي تعمل بالضخ البصري والخالية من البروتونات وأجهزة قياس المغناطيسية من طراز Overhauser لبعض تأثيرات المنطقة الميتة.
• تُعد قدرة مقياس المغناطيسية على الحصول على قياس موثوق به في وجود تدرج في المجال المغناطيسي . وفي عمليات مسح الذخائر غير المنفجرة أو مكبات النفايات، يمكن أن تكون التدرجات كبيرة.

البوصلة ، التي تتكون من إبرة ممغنطة يتغير اتجاهها استجابة للمجال المغناطيسي المحيط، هي نوع بسيط من أجهزة قياس المغناطيسية، والتي تقيس اتجاه المجال. يتناسب تردد تذبذب الإبرة الممغنطة مع الجذر التربيعي لقوة المجال المغناطيسي المحيط؛ على سبيل المثال، يتناسب تردد تذبذب إبرة البوصلة الموضوعة أفقيًا مع الجذر التربيعي لشدة المجال المحيط الأفقي. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في عام 1833، نشر كارل فريدريش جاوس ، رئيس المرصد الجيومغناطيسي في جوتنجن، ورقة بحثية عن قياس المجال المغناطيسي للأرض. ^[7] ووصفت أداة جديدة تتكون من قضيب مغناطيسي دائم معلق أفقيًا من ألياف ذهبية . سمح الاختلاف في التذبذبات عند مغناطيسية القضيب وعند إزالة مغناطيسيته لجاوس بحساب قيمة مطلقة لقوة المجال المغناطيسي للأرض. ^[8]

تم تسمية جاوس ، وحدة قياس كثافة التدفق المغناطيسي في نظام سنتيمتر جرام ثانية ، تكريمًا له، وتعرف بأنها وحدة ماكسويل واحدة لكل سنتيمتر مربع؛ وتساوي 1×10 ⁻⁴ تسلا ( وحدة النظام الدولي للوحدات ). ^[9]

اخترع فرانسيس رونالدز وتشارلز بروك بشكل مستقل أجهزة قياس المغناطيسية في عام 1846 والتي سجلت باستمرار حركات المغناطيس باستخدام التصوير الفوتوغرافي ، وبالتالي خففت العبء على المراقبين. ^[10] تم استخدامها بسرعة من قبل إدوارد سابين وآخرين في مسح مغناطيسي عالمي وكانت الآلات المحدثة قيد الاستخدام حتى وقت متأخر من القرن العشرين. ^{[11] [12]}

تقيس مقاييس المغناطيسية المعملية المغناطيسية ، والمعروفة أيضًا باسم العزم المغناطيسي لمادة العينة. على عكس مقاييس المغناطيسية المساحية، تتطلب مقاييس المغناطيسية المعملية وضع العينة داخل مقياس المغناطيسية، وغالبًا ما يمكن التحكم في درجة الحرارة والمجال المغناطيسي والمعلمات الأخرى للعينة. تعتمد مغناطيسية العينة في المقام الأول على ترتيب الإلكترونات غير المزدوجة داخل ذراتها، مع مساهمات أصغر من العزم المغناطيسي النووي ، ومغناطيسية لارمور، وغيرها. يتم تصنيف ترتيب العزم المغناطيسي في المقام الأول على أنه مغناطيسي ، أو مغناطيسي بارامغنطي ، أو مغناطيسي حديدي ، أو مضاد مغناطيسي (على الرغم من أن علم الحيوان للترتيب المغناطيسي يشمل أيضًا المغناطيسي الحديدي ، والمغناطيسي الهليمغنطي ، والحلقي ، والزجاج الدوار ، وما إلى ذلك). يمكن أن يعطي قياس المغناطيسية كدالة لدرجة الحرارة والمجال المغناطيسي أدلة على نوع الترتيب المغناطيسي، بالإضافة إلى أي انتقالات طورية بين أنواع مختلفة من الترتيبات المغناطيسية التي تحدث عند درجات حرارة حرجة أو مجالات مغناطيسية. يعد هذا النوع من القياسات المغناطيسية مهمًا جدًا لفهم الخصائص المغناطيسية للمواد في الفيزياء والكيمياء والجيوفيزياء والجيولوجيا، وأحيانًا في علم الأحياء.

تعد أجهزة قياس المغناطيسية SQUID نوعًا من أجهزة قياس المغناطيسية المستخدمة في المسح وفي المختبرات. تعد تقنية قياس المغناطيسية SQUID تقنية قياس مغناطيسية مطلقة شديدة الحساسية. ومع ذلك، فإن أجهزة قياس المغناطيسية SQUID حساسة للضوضاء، مما يجعلها غير عملية كأجهزة قياس مغناطيسية مختبرية في المجالات المغناطيسية ذات التيار المستمر العالي، وفي المغناطيس النبضي. تتوفر أجهزة قياس المغناطيسية SQUID التجارية لدرجات حرارة العينات بين 300 ميكرو كلفن و400 كلفن، والمجالات المغناطيسية حتى 7 تسلا.

تقيس ملفات الالتقاط الحثية (المشار إليها أيضًا باسم المستشعر الحثي) عزم ثنائي القطب المغناطيسي لمادة ما عن طريق اكتشاف التيار المستحث في ملف بسبب تغير عزم المغناطيسية للعينة. يمكن تغيير مغناطيسية العينة عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي متردد صغير (أو مجال تيار مستمر سريع التغير)، كما يحدث في المغناطيسات النبضية التي تعمل بالمكثف. تتطلب هذه القياسات التمييز بين المجال المغناطيسي الناتج عن العينة والمجال الناتج عن المجال الخارجي المطبق. غالبًا ما يتم استخدام ترتيب خاص من ملفات الإلغاء. على سبيل المثال، يتم لف نصف ملف الالتقاط في اتجاه واحد، والنصف الآخر في الاتجاه الآخر، ويتم وضع العينة في نصف واحد فقط. يتم اكتشاف المجال المغناطيسي المنتظم الخارجي بواسطة كلا نصفي الملف، ونظرًا لأنهما معاكسان، فإن المجال المغناطيسي الخارجي لا ينتج أي إشارة صافية.

تكتشف أجهزة قياس المغناطيسية المهتزة للعينة (VSMs) عزم ثنائي القطب لعينة ما عن طريق اهتزاز العينة ميكانيكيًا داخل ملف التقاط حثي أو داخل ملف SQUID. يتم قياس التيار المستحث أو التدفق المتغير في الملف. يتم إنشاء الاهتزاز عادةً بواسطة محرك أو مشغل كهربائي ضغطي. عادةً ما تكون تقنية VSM أقل حساسية بحوالي مرتبة من قياس المغناطيسية SQUID. يمكن دمج أجهزة VSM مع أجهزة SQUID لإنشاء نظام أكثر حساسية من أي منهما بمفرده. يمكن للحرارة الناتجة عن اهتزاز العينة أن تحد من درجة الحرارة الأساسية لجهاز VSM، عادةً إلى 2 كلفن. كما أن VSM غير عملي لقياس عينة هشة حساسة للتسارع السريع.

تعد قياس المغناطيسية باستخدام استخلاص المجال النبضي طريقة أخرى تستخدم ملفات التقاط لقياس المغناطيسية. وعلى عكس أجهزة قياس المغناطيسية النبضية حيث يتم اهتزاز العينة فعليًا، في قياس المغناطيسية باستخدام استخلاص المجال النبضي، يتم تأمين العينة وتغيير المجال المغناطيسي الخارجي بسرعة، على سبيل المثال في المغناطيس الذي يعمل بالمكثف. يجب بعد ذلك استخدام إحدى التقنيات المتعددة لإلغاء المجال الخارجي من المجال الذي تنتجه العينة. وتشمل هذه التقنيات ملفات عكسية تعمل على إلغاء المجال الموحد الخارجي وقياسات الخلفية مع إزالة العينة من الملف.

يمكن أن تكون مغناطيسية عزم الدوران المغناطيسي أكثر حساسية من مغناطيسية SQUID. ومع ذلك، لا تقيس مغناطيسية عزم الدوران المغناطيسي المغناطيسية بشكل مباشر كما تفعل جميع الطرق المذكورة سابقًا. بدلاً من ذلك، تقيس مغناطيسية عزم الدوران المغناطيسي عزم الدوران τ المؤثر على عزم مغناطيسي للعينة μ نتيجة لحقل مغناطيسي موحد B، τ = μ × B. وبالتالي فإن عزم الدوران هو مقياس لمغناطيسية العينة أو تباين الشكل. في بعض الحالات، يمكن استخراج مغناطيسية العينة من عزم الدوران المقاس. في حالات أخرى، يتم استخدام قياس عزم الدوران المغناطيسي للكشف عن انتقالات الطور المغناطيسي أو التذبذبات الكمومية . الطريقة الأكثر شيوعًا لقياس عزم الدوران المغناطيسي هي تثبيت العينة على ذراع تعليق وقياس الإزاحة عبر قياس السعة بين الذراع التعليق والجسم الثابت القريب، أو عن طريق قياس الكهرباء الانضغاطية للذراع التعليق، أو عن طريق التداخل البصري من سطح الذراع التعليق.

تستخدم مغناطيسية قوة فاراداي حقيقة مفادها أن تدرج المجال المغناطيسي المكاني ينتج قوة تؤثر على جسم ممغنط، F = (M⋅∇)B. في مغناطيسية قوة فاراداي، يمكن قياس القوة على العينة بمقياس (تعليق العينة من ميزان حساس)، أو عن طريق اكتشاف الإزاحة ضد زنبرك. عادةً ما يتم استخدام خلية الحمل السعوية أو الذراع بسبب حساسيتها وحجمها وافتقارها إلى الأجزاء الميكانيكية. مغناطيسية قوة فاراداي أقل حساسية بحوالي مرتبة واحدة من حيث الحجم من الحبار. أكبر عيب في مغناطيسية قوة فاراداي هو أنها تتطلب بعض الوسائل ليس فقط لإنتاج مجال مغناطيسي، ولكن أيضًا لإنتاج تدرج المجال المغناطيسي. في حين يمكن إنجاز ذلك باستخدام مجموعة من وجوه الأقطاب الخاصة، يمكن تحقيق نتيجة أفضل بكثير باستخدام مجموعة من ملفات التدرج. تتمثل الميزة الرئيسية لمغناطيسية قوة فاراداي في أنها صغيرة ومتسامحة بشكل معقول مع الضوضاء، وبالتالي يمكن تنفيذها في مجموعة واسعة من البيئات، بما في ذلك ثلاجة التخفيف . يمكن أيضًا أن تتعقد عملية قياس المغناطيسية بقوة فاراداي بسبب وجود عزم الدوران (انظر التقنية السابقة). ويمكن التغلب على ذلك عن طريق تغيير مجال التدرج بشكل مستقل عن مجال التيار المستمر المطبق بحيث يمكن فصل عزم الدوران ومساهمة قوة فاراداي، و/أو عن طريق تصميم مقياس مغناطيسية بقوة فاراداي يمنع دوران العينة.

تستخدم المغناطيسية الضوئية تقنيات بصرية مختلفة لقياس المغناطيسية. تستخدم إحدى هذه التقنيات، وهي مغناطيسية كير، تأثير كير المغناطيسي البصري ، أو MOKE. في هذه التقنية، يتم توجيه الضوء الساقط إلى سطح العينة. يتفاعل الضوء مع السطح الممغنط بشكل غير خطي بحيث يكون للضوء المنعكس استقطاب بيضاوي، والذي يتم قياسه بعد ذلك بواسطة كاشف. طريقة أخرى للمغناطيسية الضوئية هي مغناطيسية دوران فاراداي. تستخدم مغناطيسية دوران فاراداي الدوران المغناطيسي البصري غير الخطي لقياس مغناطيسية العينة. في هذه الطريقة، يتم وضع طبقة رقيقة معدلة بفارادي على العينة المراد قياسها ويتم التقاط سلسلة من الصور بكاميرا تستشعر استقطاب الضوء المنعكس. لتقليل الضوضاء، يتم بعد ذلك حساب متوسط ​​الصور المتعددة معًا. إحدى مزايا هذه الطريقة هي أنها تسمح برسم خرائط للخصائص المغناطيسية على سطح العينة. يمكن أن يكون هذا مفيدًا بشكل خاص عند دراسة أشياء مثل تأثير مايسنر على الموصلات الفائقة. يمكن استخدام أجهزة قياس المغناطيسية الضوئية المضخوخة المصنوعة من مواد دقيقة (μOPMs) للكشف عن أصل النوبات الدماغية بدقة أكبر وتوليد حرارة أقل من أجهزة التداخل الكمومي الفائقة التوصيل المتوفرة حاليًا، والمعروفة باسم SQUIDs. ^[13] يعمل الجهاز باستخدام الضوء المستقطب للتحكم في دوران ذرات الروبيديوم والتي يمكن استخدامها لقياس المجال المغناطيسي ومراقبته. ^[14]

يمكن تقسيم أجهزة قياس المغناطيسية المساحية إلى نوعين أساسيين:

• تقيس أجهزة قياس المغناطيسية القياسية القوة الكلية للمجال المغناطيسي الذي تتعرض له، ولكن ليس اتجاهه
• تتمتع أجهزة قياس المغناطيسية المتجهة بالقدرة على قياس مكون المجال المغناطيسي في اتجاه معين، بالنسبة للتوجيه المكاني للجهاز.

المتجه هو كيان رياضي له مقدار واتجاه. المجال المغناطيسي للأرض عند نقطة معينة هو متجه. البوصلة المغناطيسية مصممة لإعطاء اتجاه أفقي ، في حين يقيس مقياس المغناطيسية المتجهي مقدار واتجاه المجال المغناطيسي الإجمالي. هناك حاجة إلى ثلاثة أجهزة استشعار متعامدة لقياس مكونات المجال المغناطيسي في جميع الأبعاد الثلاثة.

يتم تصنيفها أيضًا على أنها "مطلقة" إذا كان من الممكن معايرة قوة المجال من خلال الثوابت الداخلية المعروفة الخاصة بها أو "نسبية" إذا كانت بحاجة إلى المعايرة بالإشارة إلى مجال معروف.

المقياس المغناطيسي هو مقياس مغناطيسي يسجل البيانات باستمرار بمرور الوقت. وعادةً ما يتم تمثيل هذه البيانات في مخططات مغناطيسية. ^[15]

يمكن أيضًا تصنيف أجهزة قياس المغناطيسية على أنها "تيار متردد" إذا كانت تقيس مجالات تتغير بسرعة نسبية في الوقت (>100 هرتز)، و"تيار مستمر" إذا كانت تقيس مجالات تتغير ببطء فقط (شبه ثابتة) أو ثابتة. تُستخدم أجهزة قياس المغناطيسية ذات التيار المتردد في الأنظمة الكهرومغناطيسية (مثل أنظمة القياس المغناطيسي الأرضي )، وتُستخدم أجهزة قياس المغناطيسية ذات التيار المستمر للكشف عن التمعدن والهياكل الجيولوجية المقابلة.

تقيس أجهزة قياس مغناطيسية تقدم البروتون ، والمعروفة أيضًا باسم أجهزة قياس مغناطيسية البروتون ، أو PPMs أو mags ببساطة، تردد رنين البروتونات (نوى الهيدروجين) في المجال المغناطيسي المراد قياسه، بسبب الرنين المغناطيسي النووي (NMR). ولأن تردد التقدم يعتمد فقط على الثوابت الذرية وقوة المجال المغناطيسي المحيط، فإن دقة هذا النوع من أجهزة قياس المغناطيسية يمكن أن تصل إلى 1 جزء في المليون . ^[16]

ينشئ التيار المستمر المتدفق في الملف اللولبي مجالًا مغناطيسيًا قويًا حول سائل غني بالهيدروجين ( الكيروسين والديكان شائعان، ويمكن استخدام الماء أيضًا)، مما يتسبب في محاذاة بعض البروتونات مع هذا المجال. ثم ينقطع التيار، ومع إعادة محاذاة البروتونات مع المجال المغناطيسي المحيط، فإنها تتحرك بتردد يتناسب بشكل مباشر مع المجال المغناطيسي. ينتج عن هذا مجال مغناطيسي دوار ضعيف يتم التقاطه بواسطة محث (منفصل أحيانًا)، وتضخيمه إلكترونيًا، وتغذيته إلى عداد تردد رقمي يتم قياس خرجه عادةً وعرضه مباشرة على أنه قوة المجال أو خرجه كبيانات رقمية.

بالنسبة للوحدات المحمولة باليد أو على الظهر، تقتصر معدلات أخذ العينات PPM عادةً على أقل من عينة واحدة في الثانية. يتم إجراء القياسات عادةً مع تثبيت المستشعر في مواقع ثابتة بزيادات تبلغ حوالي 10 أمتار.

كما أن الأجهزة المحمولة محدودة بحجم المستشعر (الوزن) واستهلاك الطاقة. تعمل أجهزة قياس المغناطيسية المحمولة في تدرجات حقلية تصل إلى 3000 نانو تسلا/متر، وهو ما يكفي لمعظم أعمال التنقيب عن المعادن. وللحصول على تسامح أعلى للتدرجات، مثل رسم خرائط لتكوينات الحديد المخططة واكتشاف الأجسام الحديدية الكبيرة، يمكن لأجهزة قياس المغناطيسية من نوع أوفرهاوزر التعامل مع 10000 نانو تسلا/متر، ويمكن لأجهزة قياس المغناطيسية من نوع السيزيوم التعامل مع 30000 نانو تسلا/متر.

إنها غير مكلفة نسبيًا (أقل من 8000 دولار أمريكي) وكانت تستخدم على نطاق واسع في التنقيب عن المعادن. تهيمن ثلاث شركات مصنعة على السوق: GEM Systems وGeometrics وScintrex. تشمل النماذج الشائعة G-856/857 وSmartmag وGSM-18 وGSM-19T.

بالنسبة لاستكشاف المعادن، تم استبدالها بأجهزة Overhauser والسيزيوم والبوتاسيوم، وكلها سريعة الدورة، ولا تتطلب من المشغل التوقف بين القراءات.

يستخدم مقياس المغناطيسية بتأثير أوفرهاوزر نفس التأثير الأساسي الذي يستخدمه مقياس مغناطيسية تقدم البروتون لأخذ القياسات. من خلال إضافة الجذور الحرة إلى سائل القياس، يمكن استغلال تأثير أوفرهاوزر النووي لتحسين مقياس مغناطيسية تقدم البروتون بشكل كبير. بدلاً من محاذاة البروتونات باستخدام ملف لولبي، يتم استخدام مجال تردد لاسلكي منخفض الطاقة لمحاذاة (استقطاب) دوران الإلكترون للجذور الحرة، والتي ترتبط بعد ذلك بالبروتونات عبر تأثير أوفرهاوزر. هذا له ميزتان رئيسيتان: يتطلب تشغيل مجال التردد اللاسلكي جزءًا بسيطًا من الطاقة (مما يسمح ببطاريات أخف وزنًا للوحدات المحمولة)، وأخذ عينات أسرع حيث يمكن أن يحدث اقتران الإلكترون بالبروتون حتى أثناء إجراء القياسات. ينتج مقياس المغناطيسية أوفرهاوزر قراءات بانحراف معياري يتراوح من 0.01 nT إلى 0.02 nT أثناء أخذ العينات مرة واحدة في الثانية.

يعد مقياس المغناطيسية ببخار السيزيوم المضخوخ بصريًا جهازًا شديد الحساسية (300 fT/Hz ^0.5 ) ودقيقًا يستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات. وهو أحد عدد من الأبخرة القلوية (بما في ذلك الروبيديوم والبوتاسيوم ) المستخدمة بهذه الطريقة. [ ^17]

يتكون الجهاز بشكل عام من باعث للفوتونات ، مثل الليزر، وحجرة امتصاص تحتوي على بخار السيزيوم المخلوط بـ " غاز عازل " تمر من خلاله الفوتونات المنبعثة ، وكاشف للفوتونات، مرتب بهذا الترتيب. عادة ما يكون الغاز العازل عبارة عن هيليوم أو نيتروجين ، ويُستخدمان لتقليل الاصطدامات بين ذرات بخار السيزيوم.

المبدأ الأساسي الذي يسمح للجهاز بالعمل هو حقيقة أن ذرة السيزيوم يمكن أن توجد في أي من مستويات الطاقة التسعة ، والتي يمكن اعتبارها بشكل غير رسمي بمثابة وضع مدارات ذرية للإلكترون حول النواة الذرية . عندما تصادف ذرة السيزيوم داخل الغرفة فوتونًا من الليزر، فإنها تثار إلى حالة طاقة أعلى، وتنبعث منها فوتون وتهبط إلى حالة طاقة أقل غير محددة. ذرة السيزيوم "حساسة" للفوتونات من الليزر في ثلاث من حالات طاقتها التسع، وبالتالي، بافتراض وجود نظام مغلق، تسقط جميع الذرات في النهاية في حالة تمر فيها جميع الفوتونات من الليزر دون عوائق ويتم قياسها بواسطة كاشف الفوتونات. أصبح بخار السيزيوم شفافًا. تحدث هذه العملية باستمرار للحفاظ على أكبر عدد ممكن من الإلكترونات في تلك الحالة.

في هذه المرحلة، يُقال إن العينة (أو المجموعة) تم ضخها بصريًا وجاهزة لإجراء القياس. عندما يتم تطبيق مجال خارجي، فإنه يعطل هذه الحالة ويتسبب في انتقال الذرات إلى حالات مختلفة مما يجعل البخار أقل شفافية. يمكن لجهاز الكشف الضوئي قياس هذا التغيير وبالتالي قياس حجم المجال المغناطيسي.

في النوع الأكثر شيوعًا من أجهزة قياس المغناطيسية السيزيوم، يتم تطبيق مجال مغناطيسي متردد صغير جدًا على الخلية. نظرًا لأن الفرق في مستويات طاقة الإلكترونات يتم تحديده بواسطة المجال المغناطيسي الخارجي، فهناك تردد يجعل هذا المجال المتردد الصغير الإلكترونات تغير حالاتها. في هذه الحالة الجديدة، يمكن للإلكترونات مرة أخرى امتصاص فوتون من الضوء. يتسبب هذا في ظهور إشارة على كاشف ضوئي يقيس الضوء الذي يمر عبر الخلية. تستخدم الإلكترونيات المرتبطة هذه الحقيقة لإنشاء إشارة بالتردد الذي يتوافق تمامًا مع المجال الخارجي.

هناك نوع آخر من أجهزة قياس المغناطيسية السيزيوم يعمل على تعديل الضوء الموجه إلى الخلية. ويشار إلى هذا النوع باسم جهاز قياس المغناطيسية بيل-بلوم، نسبة إلى العالمين اللذين قاما أولاً بدراسة هذا التأثير. فإذا تم تشغيل الضوء وإيقافه بالتردد المقابل لحقل الأرض، ^{[ يحتاج الأمر إلى توضيح ]،} يحدث تغيير في الإشارة المرئية عند كاشف الضوء. ومرة ​​أخرى، تستخدم الإلكترونيات المرتبطة هذا لإنشاء إشارة بالتردد المقابل للحقل الخارجي. وتؤدي كلتا الطريقتين إلى أجهزة قياس مغناطيسية عالية الأداء.

البوتاسيوم هو جهاز قياس المغناطيسية الوحيد الذي يتم ضخه بصريًا والذي يعمل على خط رنين إلكتروني ضيق واحد (ESR) على النقيض من أجهزة قياس المغناطيسية الأخرى التي تعمل بالبخار القلوي والتي تستخدم خطوطًا طيفية غير منتظمة ومركبة وواسعة والهيليوم بخط طيفي واسع بطبيعته. ^[18]

تم تطوير مقاييس المغناطيسية القائمة على الهيليوم-4 المثار إلى حالته الثلاثية غير المستقرة بفضل تفريغ البلازما في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي بواسطة شركة Texas Instruments ، ثم بواسطة فرعها Polatomic، ^[19] ومنذ أواخر الثمانينيات بواسطة CEA-Leti . كانت الأخيرة رائدة في تكوين يلغي المناطق الميتة، ^[20] وهي مشكلة متكررة في مقاييس المغناطيسية الذرية. وقد ثبت أن هذا التكوين يظهر دقة 50 بيكو تسلا في التشغيل المداري. اختارت وكالة الفضاء الأوروبية هذه التقنية لمهمة Swarm ، التي تم إطلاقها في عام 2013. تم اختبار وضع متجه تجريبي، والذي يمكن أن ينافس مقاييس المغناطيسية ذات البوابة التدفقية، في هذه المهمة بنجاح عام. ^[21]

تُستخدم مقاييس المغناطيسية السيزيوم والبوتاسيوم عادةً عندما تكون هناك حاجة إلى مقياس مغناطيسية أعلى أداءً من مقياس المغناطيسية البروتوني. في علم الآثار والجيوفيزياء، حيث يمسح المستشعر منطقة ما وغالبًا ما تكون هناك حاجة إلى العديد من قياسات المجال المغناطيسي الدقيقة، تتمتع مقاييس المغناطيسية السيزيوم والبوتاسيوم بمزايا على مقياس المغناطيسية البروتوني.

يسمح معدل القياس السريع لمقياس المغناطيسية السيزيوم والبوتاسيوم بتحريك المستشعر عبر المنطقة بسرعة أكبر لعدد معين من نقاط البيانات. لا تتأثر مقاييس المغناطيسية السيزيوم والبوتاسيوم بدوران المستشعر أثناء إجراء القياس.

إن الضوضاء المنخفضة لأجهزة قياس المغناطيسية السيزيوم والبوتاسيوم تسمح لهذه القياسات بإظهار الاختلافات في المجال مع الموضع بشكل أكثر دقة.

تقيس مقاييس المغناطيسية المتجهة أحد مكونات المجال المغناطيسي أو أكثر إلكترونيًا. باستخدام ثلاثة مقاييس مغناطيسية متعامدة، يمكن قياس كل من السمت والانحدار (الميل). من خلال أخذ الجذر التربيعي لمجموع مربعات المكونات، يمكن حساب قوة المجال المغناطيسي الكلية (وتسمى أيضًا الكثافة المغناطيسية الكلية، TMI) بواسطة نظرية فيثاغورس .

تخضع أجهزة قياس المغناطيسية المتجهة للانجراف الحراري وعدم الاستقرار البعدي لنوى الفريت. كما تتطلب التسوية للحصول على معلومات عن المكونات، على عكس أجهزة قياس المجال الكلي (القياسية). ولهذه الأسباب لم تعد تستخدم في استكشاف المعادن.

يحث المجال المغناطيسي موجة جيبية في ملف دوار . وتتناسب سعة الإشارة مع قوة المجال، بشرط أن يكون موحدًا، ومع جيب الزاوية بين محور دوران الملف وخطوط المجال. هذا النوع من أجهزة قياس المغناطيسية أصبح قديمًا.

أكثر أجهزة الاستشعار المغناطيسي شيوعًا هي أجهزة استشعار تأثير هول ذات الحالة الصلبة . تنتج هذه المستشعرات جهدًا يتناسب مع المجال المغناطيسي المطبق كما تستشعر القطبية. تُستخدم في التطبيقات حيث تكون قوة المجال المغناطيسي كبيرة نسبيًا، مثل أنظمة منع انغلاق المكابح في السيارات، والتي تستشعر سرعة دوران العجلات عبر فتحات في أقراص العجلات.

هذه مصنوعة من شرائح رقيقة من بيرمالوي ، وهي سبيكة من النيكل والحديد ذات نفاذية مغناطيسية عالية ، وتتغير مقاومتها الكهربائية مع تغير المجال المغناطيسي. لها محور حساسية محدد جيدًا، ويمكن إنتاجها في إصدارات ثلاثية الأبعاد ويمكن إنتاجها بكميات كبيرة كدائرة متكاملة. لديها وقت استجابة أقل من 1 ميكروثانية ويمكن أخذ عينات منها في المركبات المتحركة حتى 1000 مرة / ثانية. يمكن استخدامها في البوصلات التي تقرأ في حدود 1 درجة، والتي يجب أن يحل المستشعر الأساسي لها بشكل موثوق 0.1 درجة. ^[22]

يتكون مقياس المغناطيسية ذو البوابة التدفقية من قلب صغير قابل للتأثر بالمغناطيسية ملفوف بملفين من الأسلاك. يمر تيار كهربائي متناوب عبر أحد الملفين، مما يدفع القلب خلال دورة متناوبة من التشبع المغناطيسي ؛ أي ممغنط، وغير ممغنط، وممغنط بشكل عكسي، وغير ممغنط، وممغنط، وهكذا. يحفز هذا المجال المتغير باستمرار جهدًا في الملف الثاني يتم قياسه بواسطة جهاز كشف. في الخلفية المحايدة مغناطيسيًا، تتطابق إشارات الإدخال والإخراج. ومع ذلك، عندما يتعرض القلب لحقل خلفي، فإنه يكون أكثر تشبعًا في محاذاة ذلك المجال وأقل تشبعًا في معارضته. وبالتالي فإن المجال المغناطيسي المتناوب والجهد الناتج المستحث، خارج الخطوة مع تيار الإدخال. يعتمد مدى حدوث ذلك على قوة المجال المغناطيسي الخلفي. غالبًا ما يتم دمج الإشارة في ملف الإخراج، مما ينتج عنه جهد إخراج تناظري متناسب مع المجال المغناطيسي.

تم اختراع مقياس المغناطيسية بالبوابة التدفقية بواسطة H. Aschenbrenner و G. Goubau في عام 1936. ^{[23] [24] : 4} قام فريق في مختبرات أبحاث الخليج بقيادة فيكتور فاكوير بتطوير مقاييس مغناطيسية بالبوابة التدفقية المحمولة جواً للكشف عن الغواصات أثناء الحرب العالمية الثانية وبعد الحرب أكد نظرية الصفائح التكتونية باستخدامها لقياس التحولات في الأنماط المغناطيسية على قاع البحر. ^[25]

تتوفر مجموعة كبيرة ومتنوعة من أجهزة الاستشعار حاليًا وتستخدم لقياس المجالات المغناطيسية. تقيس بوصلات Fluxgate ومقاييس التدرج اتجاه وحجم المجالات المغناطيسية. تعد Fluxgates ميسورة التكلفة ومتينة وصغيرة الحجم مع تقدم التصغير مؤخرًا إلى حد حلول الاستشعار الكاملة في شكل شرائح IC، بما في ذلك الأمثلة من كل من الأوساط الأكاديمية ^[26] والصناعة. ^[27] هذا، بالإضافة إلى استهلاكها المنخفض للطاقة يجعلها مثالية لمجموعة متنوعة من تطبيقات الاستشعار. تُستخدم مقاييس التدرج عادةً للتنقيب الأثري، واكتشاف الذخائر غير المنفجرة (UXO) مثل جهاز Foerster الشهير للجيش الألماني . ^[28] يستخدم المتخصصون في تحديد موقع المرافق أيضًا مقاييس التدرج لتحديد موقع المرافق تحت الأرض مثل صمامات خطوط الأنابيب وخزانات الصرف الصحي وأغطية فتحات الصرف الصحي. ^[29]

يتكون مقياس المغناطيسية ذو البوابة التدفقية النموذجي من ملف "استشعار" (ثانوي) يحيط بملف "محرك" داخلي (أساسي) ملفوف بشكل وثيق حول مادة قلب عالية النفاذية، مثل معدن الميوم أو البرمالوي . يتم تطبيق تيار متناوب على لف المحرك، مما يدفع القلب في دورة متكررة مستمرة من التشبع وعدم التشبع. بالنسبة للحقل الخارجي، يكون القلب ضعيف النفاذية بالتناوب وعالي النفاذية. غالبًا ما يكون القلب عبارة عن حلقة ملفوفة بشكل حلقي أو زوج من العناصر الخطية التي تكون لفات محركها ملفوفة في اتجاهين متعاكسين. تقلل مسارات التدفق المغلقة هذه من الاقتران بين لفات المحرك والاستشعار. في وجود مجال مغناطيسي خارجي، مع وجود القلب في حالة عالية النفاذية، يتم جذب مثل هذا المجال محليًا أو حجبه (ومن هنا جاء اسم بوابة التدفق) من خلال لفات الاستشعار. عندما يكون القلب ضعيف النفاذية، يكون المجال الخارجي أقل جاذبة. يؤدي هذا التحكم المستمر في المجال الخارجي داخل وخارج لف الاستشعار إلى إحداث إشارة في لف الاستشعار، يكون ترددها الأساسي ضعف تردد المحرك، وتتغير قوتها واتجاه طورها بشكل مباشر مع حجم المجال الخارجي والقطبية.

هناك عوامل إضافية تؤثر على حجم الإشارة الناتجة. تتضمن هذه العوامل عدد الدورات في ملف الاستشعار، والنفاذية المغناطيسية للنواة، وهندسة المستشعر، ومعدل التغير في التدفق المقيد بالنسبة للوقت.

يتم استخدام الكشف المتزامن الطوري لاستخراج هذه الإشارات التوافقية من الملف الحسي وتحويلها إلى جهد تيار مستمر يتناسب مع المجال المغناطيسي الخارجي. يمكن أيضًا استخدام التغذية الراجعة للتيار النشط، بحيث يتم دفع الملف الحسي لمقاومة المجال الخارجي. في مثل هذه الحالات، يتغير تيار التغذية الراجعة خطيًا مع المجال المغناطيسي الخارجي ويُستخدم كأساس للقياس. يساعد هذا في مواجهة عدم الخطية المتأصلة بين قوة المجال الخارجي المطبق والتدفق الذي يمر عبر الملف الحسي.

تقيس أجهزة التداخل الكمومي فائقة التوصيل، أو أجهزة السكويد، التغيرات الصغيرة للغاية في المجالات المغناطيسية. وهي عبارة عن أجهزة قياس مغناطيسية متجهية شديدة الحساسية، بمستويات ضوضاء منخفضة تصل إلى 3 fT Hz ^−½ في الأجهزة التجارية و0.4 fT Hz ^−½ في الأجهزة التجريبية. تحقق العديد من أجهزة السكويد التجارية المبردة بالهيليوم السائل طيف ضوضاء مسطح من التيار المستمر القريب (أقل من 1 هرتز) إلى عشرات الكيلوهرتز، مما يجعل مثل هذه الأجهزة مثالية لقياسات الإشارات الحيوية المغناطيسية في المجال الزمني. تصل أجهزة قياس المغناطيسية الذرية SERF التي تم عرضها في المختبرات حتى الآن إلى مستوى ضوضاء تنافسي ولكن في نطاقات تردد صغيرة نسبيًا.

تتطلب أجهزة قياس المغناطيسية SQUID التبريد بالهيليوم السائل (4.2  ك ) أو النيتروجين السائل (77 كلفن ) لتشغيلها، وبالتالي فإن متطلبات التعبئة والتغليف لاستخدامها صارمة إلى حد ما سواء من وجهة نظر حرارية ميكانيكية وكذلك مغناطيسية. تُستخدم أجهزة قياس المغناطيسية SQUID بشكل شائع لقياس المجالات المغناطيسية التي تنتجها عينات المختبر، وكذلك لنشاط الدماغ أو القلب ( تخطيط الدماغ المغناطيسي وتخطيط القلب المغناطيسي ، على التوالي). تستخدم المسوحات الجيوفيزيائية أجهزة SQUID من وقت لآخر، ولكن لوجستيات تبريد SQUID أكثر تعقيدًا بكثير من أجهزة قياس المغناطيسية الأخرى التي تعمل في درجة حرارة الغرفة.

يمكن لأجهزة قياس المغناطيسية القائمة على الغازات الذرية إجراء قياسات متجهية للمجال المغناطيسي في نظام المجال المنخفض، حيث يصبح اضمحلال التماسك الذري أسرع من تردد لارمور . تعتمد فيزياء مثل هذه الأجهزة على تأثير هانلي . تم اختبار مثل هذه الأجهزة المغناطيسية المضخوخة بصريًا في المجال الصفري في تكوينات مختلفة ومع أنواع ذرية مختلفة، ولا سيما القلويات (البوتاسيوم والروبيديوم والسيزيوم) والهيليوم والزئبق . بالنسبة للقلويات ، كانت أوقات التماسك محدودة للغاية بسبب استرخاء تبادل الدوران. حدث تقدم كبير في بداية العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، حيث أثبتت مجموعة روماليس في برينستون أنه في مثل هذا النظام المنخفض للمجال، يمكن تعزيز أوقات تماسك القلويات بشكل كبير إذا تم الوصول إلى كثافة عالية بما يكفي عن طريق التسخين بدرجة حرارة عالية، وهذا ما يسمى بتأثير SERF .

إن الاهتمام الرئيسي بمقاييس المغناطيسية المضخوخة بصريًا هو استبدال مقاييس المغناطيسية SQUID في التطبيقات حيث يكون التبريد بالتبريد العميق عيبًا. وهذا هو الحال بشكل خاص في التصوير الطبي حيث يفرض هذا التبريد عزلًا حراريًا سميكًا، مما يؤثر بشدة على سعة الإشارات المغناطيسية الحيوية المسجلة. تعمل العديد من الشركات الناشئة حاليًا على تطوير مقاييس مغناطيسية مضخوخة بصريًا للتطبيقات الطبية الحيوية: تلك الخاصة بشركة TwinLeaf، ^[30] و quSpin ^[31] وFieldLine ^[32] التي تعتمد على الأبخرة القلوية، وتلك الخاصة بشركة Mag4Health على الهيليوم 4 غير المستقر. ^[33]

عند كثافة ذرية عالية بما فيه الكفاية، يمكن تحقيق حساسية عالية للغاية. تعمل مقاييس المغناطيسية الذرية الخالية من استرخاء التبادل الدوراني ( SERF ) المحتوية على بخار البوتاسيوم أو السيزيوم أو الروبيديوم بشكل مشابه لمقاييس المغناطيسية السيزيوم الموصوفة أعلاه، ومع ذلك يمكن أن تصل إلى حساسيات أقل من 1 fT Hz ^{− 1 ⁄ 2.} تعمل مقاييس المغناطيسية SERF فقط في المجالات المغناطيسية الصغيرة. يبلغ مجال الأرض حوالي 50 μT ؛ تعمل مقاييس المغناطيسية SERF في مجالات أقل من 0.5 μT.

حققت أجهزة الكشف ذات الحجم الكبير حساسية تبلغ 200 aT Hz − ^{1 ⁄ 2. [ 34]} تتمتع هذه التقنية بحساسية أكبر لكل وحدة حجم من أجهزة الكشف SQUID. ^[35] يمكن أن تنتج هذه التقنية أيضًا مقاييس مغناطيسية صغيرة جدًا قد تحل في المستقبل محل الملفات للكشف عن المجالات المغناطيسية للترددات الراديوية. ^{[ بحاجة لمصدر ]} قد تنتج هذه التقنية مستشعرًا مغناطيسيًا يحتوي على جميع إشارات الإدخال والإخراج الخاصة به في شكل ضوء على كابلات الألياف الضوئية. ^[36] يتيح هذا إجراء القياس المغناطيسي بالقرب من الفولتية الكهربائية العالية.

يتم إجراء معايرة مقاييس المغناطيسية عادةً عن طريق ملفات يتم تزويدها بتيار كهربائي لإنشاء مجال مغناطيسي. يسمح ذلك بتوصيف حساسية مقياس المغناطيسية (من حيث V / T). في العديد من التطبيقات، يعد تجانس ملف المعايرة ميزة مهمة. لهذا السبب، تُستخدم ملفات مثل ملفات هلمهولتز عادةً إما في تكوين محور واحد أو ثلاثة محاور. بالنسبة للتطبيقات الصعبة، يكون المجال المغناطيسي عالي التجانس إلزاميًا، في مثل هذه الحالات يمكن إجراء معايرة المجال المغناطيسي باستخدام ملف ماكسويل أو ملفات جيب التمام، ^[37] أو المعايرة في المجال المغناطيسي للأرض شديد التجانس .

This section needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources in this section. Unsourced material may be challenged and removed. (September 2024) (Learn how and when to remove this message)

تتمتع مقاييس المغناطيسية بمجموعة متنوعة للغاية من التطبيقات، بما في ذلك تحديد موقع الأشياء مثل الغواصات والسفن الغارقة والمخاطر التي تؤثر على آلات حفر الأنفاق ومخاطر مناجم الفحم والذخائر غير المنفجرة وبراميل النفايات السامة، فضلاً عن مجموعة واسعة من الرواسب المعدنية والهياكل الجيولوجية. كما أن لها تطبيقات في أجهزة مراقبة ضربات القلب، وكشف الأسلحة المخفية، ^[38] وتحديد مواقع أنظمة الأسلحة العسكرية، وأجهزة الاستشعار في الفرامل المانعة للانغلاق، والتنبؤ بالطقس (عبر الدورات الشمسية)، والأبراج الفولاذية، وأنظمة توجيه الحفر، وعلم الآثار، وتكتونيات الصفائح، وانتشار الموجات الراديوية، واستكشاف الكواكب. تحدد مقاييس المغناطيسية المعملية عزم ثنائي القطب المغناطيسي لعينة مغناطيسية، عادةً كدالة لدرجة الحرارة أو المجال المغناطيسي أو معلمة أخرى. يساعد هذا في الكشف عن خصائصها المغناطيسية مثل المغناطيسية الحديدية أو المغناطيسية المضادة أو الموصلية الفائقة أو خصائص أخرى تؤثر على المغناطيسية .

اعتمادًا على التطبيق، يمكن نشر أجهزة قياس المغناطيسية في المركبات الفضائية، والطائرات ( أجهزة قياس المغناطيسية ذات الأجنحة الثابتة )، والمروحيات ( ستينجر وبيرد )، وعلى الأرض ( حقيبة الظهر )، وسحبها على مسافة خلف الدراجات الرباعية (مركبات الدفع الرباعي) على ( زلاجة أو مقطورة )، وخفضها في الآبار ( أداة أو مسبار أو مسبار )، أو سحبها خلف القوارب ( سمكة السحب ).

تُستخدم أجهزة قياس المغناطيسية لقياس أو مراقبة الإجهاد الميكانيكي في المواد المغناطيسية الحديدية. سيعمل الإجهاد الميكانيكي على تحسين محاذاة المجالات المغناطيسية على نطاق مجهري مما سيرفع المجال المغناطيسي المقاس بالقرب من المادة بواسطة أجهزة قياس المغناطيسية. هناك فرضيات مختلفة حول العلاقة بين الإجهاد والمغناطيسية. ومع ذلك، يُزعم أن تأثير الإجهاد الميكانيكي على المجال المغناطيسي المقاس بالقرب من العينة مثبت في العديد من المنشورات العلمية. كانت هناك جهود لحل المشكلة العكسية لحل المغناطيسية والإجهاد من أجل تحديد الإجهاد بناءً على المجال المغناطيسي المقاس. ^{[39] [40]}

تُستخدم أجهزة قياس المغناطيسية على نطاق واسع في فيزياء الجسيمات التجريبية لقياس المجال المغناطيسي للمكونات المحورية مثل مغناطيسات التركيز أو التركيز البؤري.

تُستخدم أجهزة قياس المغناطيسية أيضًا للكشف عن المواقع الأثرية وحطام السفن والأشياء المدفونة أو المغمورة الأخرى. تحظى أجهزة قياس التدرج Fluxgate بشعبية كبيرة نظرًا لتكوينها المدمج وتكلفتها المنخفضة نسبيًا. تعمل أجهزة قياس التدرج على تعزيز الميزات الضحلة وتنفي الحاجة إلى محطة أساسية. تعد أجهزة قياس المغناطيسية السيزيوم وأوفرهاوزر فعالة جدًا أيضًا عند استخدامها كأجهزة قياس تدرج أو كأنظمة ذات مستشعر واحد مع محطات أساسية.

وقد عمل برنامج " فريق الوقت " التلفزيوني على ترويج "علم الجيوفيزياء"، بما في ذلك التقنيات المغناطيسية المستخدمة في العمل الأثري للكشف عن مواقد النار، وجدران الطوب المخبوز والأحجار المغناطيسية مثل البازلت والجرانيت. ويمكن في بعض الأحيان رسم خرائط لمسارات المشي والطرق باستخدام الضغط التفاضلي في التربة المغناطيسية أو باستخدام الاضطرابات في الطين، كما هو الحال في سهل المجر العظيم . وتعمل الحقول المحروثة كمصدر للضوضاء المغناطيسية في مثل هذه المسوحات.

يمكن لأجهزة قياس المغناطيسية أن تعطي مؤشرًا للنشاط الشفقي قبل أن يصبح الضوء المنبعث من الشفق مرئيًا. تقوم شبكة من أجهزة قياس المغناطيسية حول العالم بقياس تأثير الرياح الشمسية على المجال المغناطيسي للأرض باستمرار، والذي يتم نشره بعد ذلك على مؤشر K. ^[41 ]

في حين يمكن استخدام أجهزة قياس المغناطيسية للمساعدة في رسم خريطة لشكل الحوض على نطاق إقليمي، إلا أنها تُستخدم بشكل أكثر شيوعًا لرسم خريطة للمخاطر التي تهدد تعدين الفحم، مثل التسللات البازلتية ( السدود ، والعتبات ، والسدادة البركانية ) التي تدمر الموارد وتشكل خطورة على معدات التعدين ذات الجدران الطويلة. يمكن لأجهزة قياس المغناطيسية أيضًا تحديد المناطق التي أشعلتها الصواعق ورسم خريطة للسيدريت (شوائب في الفحم).

يتم تحقيق أفضل نتائج المسح على الأرض في المسوحات عالية الدقة (بمسافات فاصلة بين الخطوط تبلغ حوالي 10 أمتار ومسافة بين المحطات تبلغ 0.5 متر). يمكن أن تساعد أيضًا أجهزة قياس المغناطيسية في الآبار باستخدام جهاز Ferret ^{[ يحتاج إلى توضيح ]} عندما تكون طبقات الفحم عميقة، وذلك باستخدام عتبات متعددة أو النظر أسفل تدفقات البازلت السطحية. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تستخدم المسوحات الحديثة بشكل عام أجهزة قياس المغناطيسية المزودة بتقنية نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لتسجيل المجال المغناطيسي وموقعه تلقائيًا. ثم يتم تصحيح مجموعة البيانات باستخدام بيانات من جهاز قياس مغناطيسية ثانٍ (المحطة الأساسية) الذي يظل ثابتًا ويسجل التغير في المجال المغناطيسي للأرض أثناء المسح. ^[42]

تُستخدم أجهزة قياس المغناطيسية في الحفر الاتجاهي للنفط أو الغاز للكشف عن سمت أدوات الحفر بالقرب من المثقاب. ^[43] وغالبًا ما يتم إقرانها بمقاييس التسارع في أدوات الحفر بحيث يمكن العثور على كل من ميل وسمت المثقاب. ^[43]

لأغراض دفاعية، تستخدم القوات البحرية مجموعات من أجهزة قياس المغناطيسية الموضوعة عبر قيعان البحار في مواقع استراتيجية (أي حول الموانئ) لمراقبة نشاط الغواصات. صُممت الغواصات الروسية من فئة ألفا المصنوعة من التيتانيوم وصُنعت بتكلفة باهظة لإحباط مثل هذه الأنظمة (حيث إن التيتانيوم الخالص غير مغناطيسي). ^[44]

يتم إزالة المغنطة من الغواصات العسكرية - عن طريق المرور عبر حلقات كبيرة تحت الماء على فترات منتظمة - لمساعدتها على الهروب من الاكتشاف بواسطة أنظمة مراقبة قاع البحر، وأجهزة الكشف عن الشذوذ المغناطيسي ، والألغام التي يتم تشغيلها مغناطيسيًا. ومع ذلك، لا يتم إزالة المغنطة من الغواصات تمامًا. من الممكن معرفة العمق الذي كانت فيه الغواصة عن طريق قياس مجالها المغناطيسي، والذي يتشوه حيث يتسبب الضغط في تشويه الهيكل وبالتالي المجال. يمكن للتسخين أيضًا تغيير مغنطة الفولاذ. ^{[ بحاجة لتوضيح ]}

تسحب الغواصات مجموعات سونار طويلة لاكتشاف السفن، ويمكنها حتى التعرف على أصوات المروحة المختلفة. يجب وضع مجموعات السونار بدقة حتى تتمكن من تحديد اتجاه الأهداف (على سبيل المثال السفن). لا تسحب المجموعات في خط مستقيم، لذلك يتم استخدام مقاييس المغناطيسية ذات البوابة التدفقية لتوجيه كل عقدة سونار في المجموعة.

يمكن أيضًا استخدام بوابات التدفق في أنظمة ملاحة الأسلحة، ولكن تم استبدالها إلى حد كبير بنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وأجهزة جيروسكوب الليزر الحلقية .

تُستخدم أجهزة قياس المغناطيسية مثل جهاز فورستر الألماني لتحديد مواقع الذخائر الحديدية. وتُستخدم أجهزة قياس المغناطيسية السيزيوم وأوفرهاوزر لتحديد مواقع ميادين القصف والاختبار القديمة والمساعدة في تنظيفها.

تتضمن حمولات الطائرات بدون طيار أيضًا أجهزة قياس مغناطيسية لمجموعة من المهام الدفاعية والهجومية. ^{[ مطلوب مثال ]}

يمكن أن تكون المسوحات المغناطيسية مفيدة في تحديد الشذوذ المغناطيسي الذي يمثل الخام (الكشف المباشر)، أو في بعض الحالات المعادن العصوية المرتبطة برواسب الخام (الكشف غير المباشر أو الاستدلالي). ويشمل ذلك خام الحديد ، والمغنتيت ، والهيماتيت ، وغالبًا البيروتيت .

تستثمر الدول المتقدمة مثل أستراليا وكندا والولايات المتحدة الأمريكية بشكل كبير في المسوحات المغناطيسية الجوية المنهجية لقاراتها والمحيطات المحيطة بها، للمساعدة في رسم الخرائط الجيولوجية واكتشاف الرواسب المعدنية. يتم إجراء مثل هذه المسوحات الجوية المغناطيسية عادةً بمسافة 400 متر بين الخطوط على ارتفاع 100 متر، مع قراءات كل 10 أمتار أو أكثر. للتغلب على عدم التماثل في كثافة البيانات، يتم استيفاء البيانات بين الخطوط (عادةً 5 مرات) ثم يتم حساب متوسط ​​البيانات على طول الخط. يتم تقسيم هذه البيانات إلى شبكة بحجم 80 م × 80 م بكسل ومعالجة الصورة باستخدام برنامج مثل ERMapper. على نطاق إيجار الاستكشاف، قد يتبع المسح طائرة هليكوبتر ذات جناح ثابت أكثر تفصيلاً أو طائرة رش المحاصيل على مسافة 50 مترًا بين الخطوط وارتفاع 50 مترًا (إذا سمحت التضاريس). يتم تقسيم هذه الصورة إلى شبكة بحجم 10 × 10 م بكسل، مما يوفر دقة أكبر بمقدار 64 مرة.

عندما تكون الأهداف ضحلة (<200 متر)، يمكن متابعة شذوذ المجال المغناطيسي الجوي من خلال مسوحات مغناطيسية أرضية على مسافة 10 إلى 50 مترًا بين الخطوط مع مسافة 1 متر بين المحطات لتوفير أفضل التفاصيل (شبكة بكسل من 2 إلى 10 أمتار) (أو 25 مرة الدقة قبل الحفر).

تتناقص المجالات المغناطيسية من الأجسام المغناطيسية للخامات مع المسافة العكسية المكعبة ( هدف ثنائي القطب )، أو في أفضل الأحوال مع المسافة العكسية المربعة ( هدف أحادي القطب المغناطيسي ). أحد القياسات للدقة مع المسافة هو سيارة تسير في الليل وأضواءها مضاءة. على مسافة 400 متر، نرى ضبابًا متوهجًا، ولكن عندما يقترب، يظهر مصباحان أماميان، ثم وميض الضوء الأيسر.

هناك العديد من التحديات التي تواجه تفسير البيانات المغناطيسية لاستكشاف المعادن. حيث تختلط الأهداف المتعددة معًا مثل مصادر الحرارة المتعددة، وعلى عكس الضوء، لا يوجد تلسكوب مغناطيسي لتركيز المجالات. يتم قياس مزيج المصادر المتعددة على السطح. كما أن هندسة الأهداف أو عمقها أو اتجاه مغنطتها (البقايا) غير معروفة عمومًا، وبالتالي يمكن لنماذج متعددة تفسير البيانات.

Potent من Geophysical Software Solutions [1] هي حزمة رائدة في تفسير المغناطيسية (والجاذبية) تُستخدم على نطاق واسع في صناعة الاستكشاف الأسترالية.

تساعد أجهزة قياس المغناطيسية مستكشفي المعادن بشكل مباشر (أي التمعدن الذهبي المرتبط بالمغنتيت ، والماس في أنابيب الكمبرلايت )، وبشكل أكثر شيوعًا، بشكل غير مباشر، مثل رسم خرائط الهياكل الجيولوجية المواتية للتعدين (أي مناطق القص وهالات التغيير حول الجرانيت).

تكتشف أجهزة قياس المغناطيسية المحمولة جوًا التغير في المجال المغناطيسي للأرض باستخدام أجهزة استشعار مثبتة بالطائرة على شكل "لسعة" أو عن طريق سحب جهاز قياس مغناطيسية على نهاية كابل. غالبًا ما يُشار إلى جهاز قياس المغناطيسية الموجود على الكابل باسم "القنبلة" بسبب شكله. ويطلق عليه آخرون اسم "الطائر".

نظرًا لأن التلال والوديان الموجودة أسفل الطائرة تجعل القراءات المغناطيسية ترتفع وتنخفض، فإن مقياس الارتفاع الراداري يتتبع انحراف المحول عن الارتفاع الاسمي فوق الأرض. قد تكون هناك أيضًا كاميرا تلتقط صورًا للأرض. يتم تحديد موقع القياس عن طريق تسجيل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أيضًا.

تحتوي العديد من الهواتف الذكية على مقاييس مغناطيسية مصغرة تعمل بأنظمة كهروميكانيكية دقيقة (MEMS) تُستخدم للكشف عن قوة المجال المغناطيسي وتُستخدم كبوصلات . يحتوي iPhone 3GS على مقياس مغناطيسي، وهو مستشعر مغناطيسي مقاوم، AN-203 من إنتاج شركة Honeywell. ^[45] في عام 2009، انخفض سعر مقاييس المغناطيسية ثلاثية المحاور إلى أقل من دولار أمريكي واحد لكل جهاز وانخفض بسرعة. يعني استخدام جهاز ثلاثي المحاور أنه غير حساس للطريقة التي يتم بها تثبيته في الاتجاه أو الارتفاع. أجهزة تأثير هول شائعة أيضًا. ^[46]

استخدم الباحثون في شركة دويتشه تيليكوم أجهزة قياس مغناطيسية مدمجة في الأجهزة المحمولة للسماح بالتفاعل ثلاثي الأبعاد بدون لمس . يتتبع إطار التفاعل الخاص بهم، المسمى MagiTact، التغيرات في المجال المغناطيسي حول الهاتف المحمول لتحديد الإيماءات المختلفة التي يتم إجراؤها بواسطة اليد التي تمسك أو ترتدي مغناطيسًا. ^[47]

تُفضَّل الطرق الزلزالية على مقاييس المغناطيسية كطريقة المسح الأساسية لاستكشاف النفط، على الرغم من أن الطرق المغناطيسية يمكن أن تعطي معلومات إضافية حول الجيولوجيا الأساسية وفي بعض البيئات دليل على التسرب من الفخاخ. ^[48] تُستخدم مقاييس المغناطيسية أيضًا في استكشاف النفط لإظهار مواقع السمات الجيولوجية التي تجعل الحفر غير عملي، وميزات أخرى تمنح علماء الجيوفيزياء صورة أكثر اكتمالاً للطبقات .

كان مقياس المغناطيسية ثلاثي المحاور جزءًا من مهمتي مارينر 2 ومارينر 10. ^[49] يعد مقياس المغناطيسية ثنائي التقنية جزءًا من مهمة كاسيني-هويجنز لاستكشاف زحل. ^[50] يتكون هذا النظام من مقياس مغناطيسية متجه للهيليوم ومغناطيسية بوابة تدفق. ^[51] كانت مقاييس المغناطيسية أيضًا أداة مكونة في مهمة ميركوري ماسنجر . يمكن أيضًا استخدام مقياس المغناطيسية بواسطة أقمار صناعية مثل GOES لقياس كل من حجم واتجاه المجال المغناطيسي لكوكب أو قمر.

يمكن استخدام المسوحات المنهجية في البحث عن الرواسب المعدنية أو تحديد أماكن الأشياء المفقودة. وتنقسم هذه المسوحات إلى:

• المسح الجوي المغناطيسي
• بئر
• أرضي
• بحري

يمكن تنزيل مجموعات بيانات Aeromag لأستراليا من قاعدة بيانات GADDS.

يمكن تقسيم البيانات إلى بيانات نقطية وبيانات صورة، وتكون الأخيرة بتنسيق ERMapper.

على أساس التوزيع المقاس في الفضاء لمعلمات المجال المغناطيسي (على سبيل المثال السعة أو الاتجاه)، يمكن إنشاء صور الرؤية المغناطيسية . يعد هذا العرض للبيانات المغناطيسية مفيدًا جدًا لمزيد من التحليل ودمج البيانات .

تتكون أجهزة قياس التدرج المغناطيسي من أزواج من أجهزة قياس المغناطيسية، حيث تكون أجهزة الاستشعار الخاصة بها منفصلة، ​​أفقيًا عادةً، بمسافة ثابتة. يتم طرح القراءات لقياس الفرق بين المجالات المغناطيسية المحسوسة، مما يعطي تدرجات المجال الناتجة عن الشذوذ المغناطيسي. هذه طريقة واحدة للتعويض عن كل من التباين في وقت المجال المغناطيسي للأرض والمصادر الأخرى للتداخل الكهرومغناطيسي، مما يسمح باكتشاف أكثر حساسية للشذوذ. نظرًا لطرح قيم متساوية تقريبًا، فإن متطلبات أداء الضوضاء لأجهزة قياس المغناطيسية أكثر تطرفًا.

تعمل أجهزة قياس التدرج على تعزيز الشذوذ المغناطيسي الضحل وبالتالي فهي مفيدة لأعمال التنقيب الأثري ومواقع العمل. كما أنها مفيدة للأعمال في الوقت الفعلي مثل تحديد موقع الذخائر غير المنفجرة . ومن الأفضل مرتين تشغيل محطة أساسية واستخدام جهازين (أو أكثر) من أجهزة الاستشعار المتنقلة لقراءة الخطوط المتوازية في وقت واحد (على افتراض تخزين البيانات ومعالجتها لاحقًا). وبهذه الطريقة، يمكن حساب التدرجات على طول الخط وعبره.

في أعمال التنقيب عن المعادن والآثار التقليدية، كانت الأوتاد الشبكية التي توضع بواسطة المزواة وشريط القياس تستخدم لتحديد منطقة المسح. كما استخدمت بعض مسوحات الذخائر غير المنفجرة الحبال لتحديد المسارات. كما استخدمت المسوحات الجوية منارات التثليث الراديوي، مثل سيليدوس.

تم تطوير مشغلات إلكترونية غير مغناطيسية لسلسلة الورك لتشغيل أجهزة قياس المغناطيسية. وقد استخدموا أجهزة ترميز ذات أعمدة دوارة لقياس المسافة على طول بكرات القطن التي يمكن التخلص منها.

يستخدم المستكشفون المعاصرون مجموعة من وحدات GPS ذات التوقيع المغناطيسي المنخفض، بما في ذلك نظام GPS الحركي في الوقت الفعلي.

قد تعاني المسوحات المغناطيسية من الضوضاء الصادرة عن مجموعة من المصادر. وتعاني تقنيات قياس المغناطيسية المختلفة من أنواع مختلفة من مشاكل الضوضاء.

أخطاء التوجيه هي إحدى مجموعات الضوضاء. ويمكن أن تأتي من ثلاثة مصادر:

• المستشعر
• وحدة التحكم
• المشغل

تعطي بعض أجهزة استشعار المجال الكلي قراءات مختلفة اعتمادًا على اتجاهها. وتعد المواد المغناطيسية الموجودة في المستشعر نفسه السبب الرئيسي لهذا الخطأ. وفي بعض أجهزة قياس المغناطيسية، مثل أجهزة قياس المغناطيسية البخارية (السيزيوم والبوتاسيوم وما إلى ذلك)، توجد مصادر لخطأ الاتجاه في الفيزياء تساهم بكميات صغيرة في خطأ الاتجاه الكلي.

يأتي ضجيج وحدة التحكم من المكونات المغناطيسية الموجودة على وحدة التحكم أو داخلها. وتشمل هذه المكونات الفريت في نوى المحاثات والمحولات، والإطارات الفولاذية حول شاشات LCD، والأرجل الموجودة على شرائح IC والعلب الفولاذية في البطاريات التي تستخدم لمرة واحدة. كما تحتوي بعض موصلات المواصفات العسكرية الشائعة على نوابض فولاذية.

يجب على المشغلين الحرص على النظافة المغناطيسية والتحقق من "النظافة المغناطيسية" لجميع الملابس والعناصر التي يحملونها أثناء المسح. تحظى قبعات أكوبرا بشعبية كبيرة في أستراليا، ولكن يجب إزالة حوافها الفولاذية قبل استخدامها في المسوحات المغناطيسية. يمكن أن تتسبب الحلقات الفولاذية على دفاتر الملاحظات والأحذية ذات الغطاء الفولاذي والزنبركات الفولاذية في فتحات الأغطية العامة في حدوث ضوضاء غير ضرورية في المسوحات. يمكن أن تكون الأقلام والهواتف المحمولة والغرسات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ مشكلة أيضًا.

يمكن أن تتغير الاستجابة المغناطيسية (الضوضاء) الصادرة عن الأجسام الحديدية على المشغل ووحدة التحكم مع اتجاه الاتجاه بسبب الحث والمخلفات. يمكن لطائرات المسح المغناطيسي الجوي وأنظمة الدراجات الرباعية استخدام معوضات خاصة لتصحيح ضوضاء خطأ الاتجاه.

تبدو أخطاء العناوين وكأنها أنماط متعرجة في صور المسح. كما يمكن أن تكون الخطوط البديلة متموجة.

إن تسجيل البيانات ومعالجة الصور أفضل من العمل في الوقت الفعلي لأن التشوهات الدقيقة التي غالبًا ما يغفل عنها المشغل (خاصة في المناطق ذات الضوضاء المغناطيسية) يمكن ربطها بين الخطوط والأشكال والمجموعات المحددة بشكل أفضل. كما يمكن استخدام مجموعة من تقنيات التحسين المتطورة. وهناك أيضًا نسخة مطبوعة وحاجة إلى تغطية منهجية.

تم تشغيل خوارزمية الملاحة المغناطيسية (MAGNAV) في البداية كتجربة طيران في عام 2004. ^[52] وفي وقت لاحق، تم تطوير مقاييس المغناطيسية الماسية بواسطة مختبر أبحاث القوات الجوية الأمريكية (AFRL) كطريقة أفضل للملاحة والتي لا يمكن للعدو التشويش عليها. ^[53]

• تقنيات التنبؤ بالزلازل والمزيد من الأبحاث حول دراسة المجالات الكهرومغناطيسية
• برنامج الجيومغناطيسية التابع لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية
• مجال الرنين النووي المغناطيسي الأرضي (EFNMR)
• أجهزة قياس المغناطيسية الفضائية
• إرشادات عملية لبناء مقياس مغناطيسية بواسطة الهواة – الجزء الأول مقدمة أرشيف 10 يوليو 2012 على موقع واي باك مشين
• إرشادات عملية لبناء مقياس مغناطيسي بواسطة الهواة – الجزء الثاني البناء أرشيف 24 فبراير 2021 على موقع واي باك مشين