Разработка и анализ генератора случайных чисел на основе магнитометров
Магнитное поле Земли
В 1785г. Кулоном был предложен метод измерения напряженности геомагнитного поля.В СССР толчком в развитии магнитоизмерительной техники были исследования Курской магнитной аномалии и генеральная магнитная съемка всей страны (1930-1941гг.). Для этих грандиозных по масштабам исследований, впервые в мире, был разработан и отработан метод аэромагнитной съемки.
На удалении от поверхности Земли, порядка трех ее радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.
По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное пол сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный хвост.
Средняя напряженность магнитного поля Земли равна 30000 – 60000 nТл. (нано Тесла) и сильно зависит от географического положения. Напряженность магнитного поля и магнитном экваторе около 34000 nТл., у магнитных полюсов около 66000 nТл. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий) напряженность резко возрастает. В районе Курской магнитной аномалии она достигает 200000 nТл.
Рисунок 3. Магнитное поле земли
Магнитное поле Земли — это векторная величина, вектор которого стремиться к магнитным полюсам Земли. Направление магнитных линий этого поля на противоположных полусферах формируют магнитные полюса. Точки Земли, в которых напряженность магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс.
|
|
|
Магнитное поле Земли имеет две компоненты вертикальную и горизонтальную. Это значит, что для измерения магнитного поля Земли нужен, минимум, двухосный датчик, или протонно прецессионный магнитометр. Прецессия – явление, при котором момент импульса тела меняет свое направление в пространстве.В основу работы прецессионных магнитометров положена атомная константа, которая определяет частоту прецессии оси вращения протона в магнитном поле. В физике и ряде других наук она известна как частота Лармора.
В системе СИ напряженность магнитного поля измеряют в Теслах.
1 Тл (Тесла) – магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой 1 H(Ньютон) на каждый метр длины прямолинейного проводника, расположенного перпендикулярно направлению индукции Bполя, если по этому проводнику течет ток 1 A(Ампер).
· 1 Тл = 10000 Гаус (единица СГС)
· 1 Тл = 
Гамма (единица, применяемая в геофизике)
· 1 nТл.(нано Тесла) = 1 Гамма = 10мкГс.
· 1 мкТл.(микро Тесла) = 1000nТл.
Напряженность магнитного поля не стабильная и не однородная величина. Имеют место частые возмущения и магнитные бури, изменяющие локально напряженность поля на 100 – 500 nТл. Магнитные бури вызываются возмущением токов, распространяющихся в ионосфере под влиянием солнечного ветра. При изменении магнитного поля медленными дискретными приборами эта неоднородность поля во времени пропускается особенно заметно. Для устранения погрешности нужно производить замеры по нескольку раз.
|
|
|
Вектор магнитного поля меняется в зависимости от неоднородности грунта и наличия в грунте намагничивающихся предметов, например, из железа. Поэтому для правильного измерения магнитного поля применяются двух и трех осные датчики магнитного поля.
Для измерения напряженности магнитного поля применяются магнитометры.
Магнитометр
Магнитометр представляет собой устройство для измерения интенсивности одной или нескольких составляющих магнитного поля. Изобретенное более тысячи лет назад такое простое, но в тоже время гениальное устройство, как компас и сегодня является незаменимой вещью в инвентаре любого капитана корабля или туриста. В наше время благодаря развитию электроники и технологии микроэлектронных механических систем появились МЭМС (Микроэлетромеханические системы) -магнитометры, выполняющие функцию компаса в микросхемном исполнении. Сегодня их повсеместно можно встретить в потребительских электронных устройствах (смартфонах, планшетах, автомобилях, робототехнических устройствах и т.п.). Зачастую они входят в составсложных навигационных систем, а в сочетании с акселерометром и/или гироскопом представляют собой инерциальную систему, способную точно определять местоположение в трехмерном пространстве.
|
|
|
На рынке представлен широкий выбор двух- и трех осевых электронных компасов в интегральном исполнении. Для более полного понимания принципа действия такого компаса рассмотрим основные положения теории магнетизма и принципы определения направления вектора магнитного поля Земли.
Магнитное поле Земли в каждой точке пространства характеризуется вектором напряженности Т, направление которого определяется тремя составляющими по осям X, Y и Zв прямоугольной системе координат (рис. 4). Также магнитное поле Земли можно описать горизонтальной составляющей напряженности H, магнитным склонением D (углом между Hи плоскостью географического меридиана) и магнитным наклонением I (углом междуT и плоскостью горизонта).
|
|
|
Рисунок 4. Составляющие магнитного поля Земли.
Классификация магнитометров
Классифицируют магнитометры по физическому явлению или эффекту, на котором основано его действие, по областям применения, по условиям эксплуатации, по степени информативности (скалярные, векторные и тензорные), что находит отражение в наименовании прибора: «квантовый магнитометр», «морской буксируемый магнитометр», «трехкомпонентный микротесламетр». Наиболее распространена классификация магнитометра по физическому явлению, используемому в измерительных преобразователях (ИП) прибора.
Индукционные магнитометры основаны на использовании явления электромагнитной индукции. В магнитометрах этого типа ИП осуществляет связь между индукцией магнитного поля и индуцированной в контуре прибора электродвижущей силой (ЭДС). Основным элементом ИП является, многовитковая катушка с ферромагнитным сердечником. Сердечник концентрирует магнитный поток, пронизывающий катушку. Изменение магнитного потока в катушке осуществляется:
· Вращением (колебанием, вибрацией, перемещением) измерительной катушки в измеряемом поле.
· Изменением площади катушки.
· Периодическим изменением магнитной проницаемости магнитной цепи ИП, что достигается вращением (перемещением) ферромагнитного ротора.
· Изменением магнитной проницаемости материала сердечника за счет вспомогательного магнитного поля.
Квантовые магнитометрыоснованы на квантовых эффектах и явлениях, возникающих при взаимодействии микрочастиц с магнитным полем: ядерном магнитном резонансе (ЯМР), электронном парамагнитном резонансе (ЭПР), Зеемана эффекте, Джозефсона эффекте.
Квантовые магнитометры используются в основном для измерения напряженности малых магнитных полей и, например, магнитного поля Земли и его аномалий на ее поверхности и на высотах, которые соответствуют орбитам искусственных спутников Земли и баллистических ракет, для измерения в космическом пространстве магнитных полей планет Солнечной системы. Квантовые магнитометры используются также для обнаружения полезных ископаемых, поиска затонувших судов и т.п.
Магнитооптические магнитометры основаны на изменении оптических свойств веществ под действием магнитного поля (эффект Фарадея, эффект Керра и др.) и применяются в основном в лабораторных исследованиях для измерения магнитной индукции слабых, средних и сильных магнитных полей (как постоянных, так и переменных).
Гальваномагнитные магнитометры основаны на использовании эффектов, возникающих при одновременном воздействии на полупроводник электрических и магнитных полей: эффекта Холла, магниторезистивного эффекта и магнитодиодного эффекта. Наиболее широкое практическое применение для измерения магнитной индукции постоянных, переменных и импульсных полей получили магнитометры с измерительными преобразователями на основе эффекта Холла, обладающие линейной зависимостью возникающего электрического поля от магнитного поля в широком диапазоне его значений.
Тесламетры Холлаприменяются: для контроля магнитных систем электроизмерительных и электронных приборов; для измерения магнитной индукции в зазорах электродвигателей, генераторов; для измерения и анализа полей рассеяния источников постоянных, переменных и импульсных магнитных полей.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 783; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!