Мобилно приложение магнитометър

Неотдавна публикувах в Google play свое приложение за измерване на магнитно поле. Приложението е упростена версия на програмата за измерване на магнитни полета с мобилно устройство, която пиша. Линк за сваляне:

https://play.google.com/store/apps/details?id=bl.moesia.ntsvetkov.magnetometer

На 7-инчов таблет приложението изглежда така:

В центъра се показва силата на магнитното поле с точност до 0.1 микротесла (μT), а по стрелката на кръглата скала се отчита още колко нанотесли (nT) да се добавят, за да се получи пълната стойност (1 nT = 0.001 μT). Измерването има известа инерционност - за установяване на точната стойност е необходимо да се почака малко, докато показанията се успокоят.

Вграденият магнитометър на сегашните мобилни устройства, който се използва от приложението, няма чак толкова високи характеристики, за да се достигне максималната реална чувствителност от 1 nT .

На практика колебанията в показанията на магнитометъра се дължат както на собствената нестабилност на чипа, така и на магнитните смущения от околната среда. Но при внимателно измерване могат да се получат интересни резултати.

Например, при бавно движение по някаква местност, приложението може да даде представа как се променя земното магнитно поле. При това се отчитат едромащабните изменения на магнитното поле, причинени от различния състав на почвата и скалите на различните места.

Също така, по специална методика може да бъде измерена магнитната възприемчивост на някоя скала или достатъчно голям къс от някакъв материал. По измерената магнитна възприемчивост може да се разпознае каква е скалата. Това е интересно, например при разпознаването на метеорити, които обикновено съдържат силномагнитни минерали.

Практическо измерване на земното магнитно поле

Проведох някои опити за измерване на магнитни полета сред природата.
Измервах земното магнитно поле на едно място в централна Северна България. Теренът е с характерни карстови форми в горнокредни варовици.

По идея варовиците трябва да са най-слабомагнитните скали и да не променят магнитното поле. Но нещата се усложняват от повърхностните карстови форми - кари (бразди и успоредни редици от тях), карстови вдлъбнатини и въртопи с различна степен на развитост. В тези пролуки има събрани наноси с разнообразен състав и магнитни свойства.

Измервах магнитното поле с обикновен Android - таблет. Магнитният сензор на използвания таблет може да достигне разрешение 150 nT.

Характеристики на магнитния сензор на таблета
name = LGE Magnetometer Sensor, type = 2
vendor = AKM, version = 1
max = 4911.9995, resolution = 0.14953613

Използвах своя програма, която измерва тоталната сила на магнитното поле |B| и записва данните. Движих се по права линия напред до водата, мястото е показано на долната снимка.

Построих графика, която интерполира измерванията в 11 точки, разположени през около метър по маршрута на движението:

Резултатите показват сила на земното магнитно поле, близка до очакваната средна стойност за територията на България (47500 nT).

От графиката се вижда, че магнитното поле е по-силно над варовиците и се колебае значително на разстояния от няколко метра в границите от 47800 до 48400 nT. В десния край на графиката има рязък спад, там стигам до водата и неочаквано магнитното поле отслабва до 47400 nT.

Тези измервания са направени набързо. Реалната им точност е донякъде неопределена, но може да се счита, че изменения към 400 nT и повече отразяват реални вариации на магнитното поле, а не просто грешки на измерването.

Общо взето се потвърждават очакванията ми, че с обикновено мобилно устройство могат да се правят интересни измервания на земното магнитно поле.

Измерване на магнитни полета с мобилни устройства

Мобилните устройства, смартфони и таблети, обикновено имат вграден магнитометър. Той се използва предимно като електронен компас, необходим при навигацията. Много от разпространените чипове - магнитометри използват сензори на Хол за измерване на магнитното поле в три взаимно перпендикулярни посоки - осите x, y и z.

Магнитното поле

Индукцията на магнитното поле, означавана обикновено с B, е векторна величина. Магнитният сензор на мобилното устройство измерва трите проекции на този вектор - Bx, By и Bz в три взаимноперпендикулярни посоки.

Векторът на магнитната индукция B може да се представи като една "стрелка" в пространството, която има определена посока и дължина. Дължината на вектора B в нашето (евклидово) пространство се намира по формулата:

|B| = √

Bx2 + By2 + Bz2

Дължината на вектора |B| представлява собствено силата на магнитното поле. Тя е инвариантна относно промяна на посоката, т.е. остава непроменена ако завъртим в пространството мобилното устройство, с което я измерваме.

Чипове магнитни сензори

В разпространените мобилни устройства като магнитни сензори често се използват чиповете на Asahi Kasei Microdevices Corporation (AKM), като например AK8963, използван в iPhone 5 и в таблети на Sony и LG.

Основните характеристики на чипа AK8963 са следните:

•  3-осев магнитометър на основата на сензор на Хол, предназначен за използване в компаси
•  Има вграден аналого-цифров преобразувател с разрядност 14/16 бита за всяка от 3-те компоненти
•  Чувствителност: 0.6 μT/LSB (14-bit) или 0.15μT/LSB (16-bit)
• Диапазон на измерваната величина: ± 4900 μT
   

Възможности за използване

Вградените магнитни сензори на мобилните устройства обикновено се използват за реализиране на компас чрез измерване на земното магнитно поле. За такова приложение не е нужна особено голяма чувствителност на магнитометъра.

Индукцията на земното магнитно поле е около 50 000 nT.
Размахът на местните аномалии на земното магнитно поле може да бъде от 200 до 10000 nT, а измененията му при магнитни бури - до 1000 nT.

Чувствителността на чипа AK8963 (от порядъка на 0.1 μT = 100 nT) не е голяма в сравнение например с чувствителността на протонен магнитометър, която достига до 1 nT. Въпреки това мобилните устройства с подобен магнитен сензор биха могли да се използват за грубо картографиране на геомагнитното поле в някакъв участък от земната повърхност.

При известен късмет на такава магнитна карта с разрешение около 100 nT биха могли да се видят някои интересни геологични структури и значителни магнитни аномалии. В този случай ниската разрешаваща способност може да бъде не само вредна, но и полезна, защото показва само най-важните и едри детайли от картината и елиминира шумовете и слабите външни смущения при измерването.

Магнитното поле на Земята

Земното магнитно поле има голямо значение за живота на Земята.
Ако сравним силата на магнитното поле на планетите Венера, Земя и Марс, веднага прави впечатление, че Земята има особено силно магнитно поле и само тя е обитаема.

Силата и посоката на земното магнитно поле се променят с течение на времето.  По данни от измерванията на спътниковата система Swarm, през 2014 година магнитното поле на Земята има следния вид:

Източник: http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Swarm/Swarm_reveals_Earth_s_changing_magnetism

За 2010 година земното магнитно поле е изглеждало така:

Източник: http://www.ngdc.noaa.gov/wist/magfield.jsp

Вижда се, че от 2010 до 2014 година не са настъпили големи промени в магнитното поле на Земята. Четирите големи световни магнитни аномалии (Канадска, Бразилска, Сибирска и Австралийско-Антарктическа) все така закръглени в общи линии запазват големината и формата си.

Общо описание

Земното магнитно поле има постоянна съставляваща - основно поле (~ 99 %) и много по-слаба променлива съставляваща (~ 1 %).
Основното магнитно поле на Земята по форма е близко до магнитното поле на магнит с два полюса - магнитен дипол. Северният и южният магнитни полюси не се намират точно на мястото на географските полюси на Земята.

Средната стойност на магнитната индукция близо до земната повърхност е ~ 50 000 nT (нано Тесла).

Отклоненията от формата на диполното поле, имащи на повърхността на Земята размери ~ 10 000 km и отклонение в стойността до 10 000 nT образуват така наречените световни магнитни аномалии (например Бразилската, Сибирската, Канадската).

Основното магнитно поле на Земята се променя бавно във времето (векови вариации) с периоди от 10 до 10 000 години (например промени с периоди от 10-20, 60-100, 600-1200 и 8000 години).

Главният период (около 8000 години) се характеризира с изменение на диполния момент от 1,5 - 2 пъти.

В течение на вековните вариации, световните магнитни аномалии се движат и променят големината и формата си.

Измервания на земното магнитно поле

Сведенията за разпределението на магнитното поле на Земята и вековните вариации са получени от преки измервания на големината и посоката на магнитното поле, които са започнати от 19 век, навигационните магнитни измервания през 15 - 20 век и от археомагнитни и палеомагнитни данни.

Магнитното поле на Земята се измерва с магнитометри в наземни стационарни магнитни обсерватории, а също се извършват и магнитни снимки - морски, от самолети, ракети и спътници.

Палеомагнитология

Големината и посоката на древното магнитно поле на Земята може да бъде установена по намагнитеността на седиментните скали, съдържащи феримагнитни минерали. С такива палеомагнитни методи е установено, че магнитното поле на Земята е съществувало поне от преди 2,5 милиарда години и е имало сила, близка до сегашната.

Храктеристиките на геомагнитното поле остават неизменни в течение на 100 хиляди до 10 милиона години, след което магнитното поле на Земята неочаквано намалява 3 - 10 пъти и в относително кратък (1000 - 10 000 години) преходен период може да измени знака си (да настъпи инверсия). След някакво време силата на земното магнитно поле отново достига нормалното си ниво, което  отново се запазва достатъчно дълго време (100 хиляди - 10 милиона години).

В преходния период може да настъпи една, няколко (2-3), или нито една инверсия. За последните ~ 30 милиона години средното време между инверсиите на земното магнитно поле е било ~ 150 000 години.

Местни аномалии

Освен световните магнитни аномалии, в геомагнитното поле на повърхността се наблюдават и местни магнитни аномалии, причинени от магнитните свойства на скалите, съставящи земната кора. Размерите на тези аномалии са от единици до стотици километри, а големината им е средно 200 nT , но в отделни случаи може да достигне до 10 000 nT (например ако има големи струпвания на магнитни железни руди).

Изучаването на аномалните отклонения на геомагнитното поле се използва при търсенето на полезни изкопаеми и изследването на дълбочинния строеж на земната кора до дълбочина 20 - 50 km. На по-голяма дълбочина температурата нараства над точката на Кюри, при което минералите загубват магнитните си свойства и вече не могат да влияят на магнитното поле.

Променливата съставляваща

Постоянната съставляваща на земното магнитно поле се генерира от процеси във вътрешността на Земята. За разлика от това, сравнително краткопериодичните промени на земното магнитно поле се дължат предимно на външни причини.

Електрическите токове, протичащи в йоносферата и магнитосферата, създават променлива компонента на магнитното поле на Земята, която не е по-голяма от 100 nT .

По време на магнитна буря земното магнитно поле може да се променя със стойности до 1000 nT.

Магнитното поле в Европа

Промените в силата на земното магнитно поле през предишните 100 години на територията на Европа по данни от http://www.ngdc.noaa.gov/wist/magfield.jsp :

1910 година. В България: около 44000 nT

 1930 година. В България: нараства до около 44500 nT

 1950 година. В България: нараства към 46000 nT

1970 година. В България: нараства над 46000 nT

 1990 година. В България: вече е към 47000 nT

2010 година. В България: нараства още, достигайки около 47500 nT

Изводи

Според тези данни се оказва, че за един век, от 1910 до 2010 година, земното магнитно поле в България се е усилило приблизително от 44000nT до 47500nT.

Това увеличение със стойност +3500nT съставя 7,95% от 44000. Причинено е от промените в Сибирската световна магнитна аномалия на североизток от България.

Промяната е значителна, но изглежда в границите на нормалните векови вариации.