Магнито́метр, прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств объектов и материалов. Некоторые магнитометры имеют специальные названия в зависимости от измеряемой величины: эрстедметры измеряют напряжённость магнитного поля, градиентометры и вариометры – изменения напряжённости в пространстве и времени, инклинаторы и деклинаторы – направление вектора напряжённости, тесламетры – величину магнитной индукции. Магнитометры измеряют также следующие характеристики объектов и материалов: магнитную проницаемость и магнитную восприимчивость (мю-метры и каппа-метры), коэрцитивную силу (коэрцитиметры), поток магнитной индукции (веберметры или флюксметры), магнитный момент, кривые намагничивания, потери на гистерезис и др. Часто магнитометрические датчики используются при косвенных измерениях немагнитных величин.

По принципу действия магнитометры можно разделить на магнитостатические (механические), индукционные, квантовые и др.

Магнитостатические магнитометры

Принцип действия этих магнитометров основан на механическом воздействии магнитного поля на магнит. К таким приборам относятся магнитный компас и буссоль, определяющие направление магнитного поля Земли, кварцевые вариометры, позволяющие регистрировать геомагнитные вариации с точностью 10^–3–10^–4 А/м, и магнитные весы, применяемые в лабораторных условиях для исследования магнитной восприимчивости образцов. В магнитных весах восприимчивость магнитного материала определяется по силе, с которой исследуемый образец, имеющий форму длинного цилиндра, втягивается в поле электромагнита (метод Гуи), или по силе, действующей на образец малого размера, помещённый в неоднородное магнитное поле (метод Фарадея). В методе Гуи требуется бо́льшая масса вещества (1–10 г), а метод Фарадея позволяет работать с миллиграммами вещества и требует более сложного оборудования.

Индукционные магнитометры

Работа этих магнитометров основана на явлении электромагнитной индукции; они регистрируют изменение потока магнитной индукции в измерительной катушке, вызванное различными причинами. Индукционные магнитометры условно делят на пассивные и активные: в первых эдс в катушке возбуждается изменением во времени внешнего магнитного поля, во вторых – изменениями в самом приборе. Пассивные магнитометры представляют собой длинную цилиндрическую катушку, намотанную на ферромагнитный сердечник, и фактически являются антеннами сверхнизкой частоты. Такие магнитометры используются для детектирования ядерных взрывов, связи с подводными лодками, магнитотеллурического зондирования земной коры, изучения взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли и волновых процессов в космической плазме.

К активным индукционным магнитометрам относятся, например, рок-генератор и феррозондовый магнитометр. В рок-генераторе исследуемый образец помещается на специальную площадку, вращающуюся в центре измерительной катушки с частотой 40 Гц. В результате в катушке возникает эдс, величина которой пропорциональна величине намагниченности образца. Для исключения влияния внешнего магнитного поля на результаты измерений катушка (вместе с вращающейся площадкой и образцом) закрыта многослойным пермаллоевым экраном. Рок-генератор применяется при исследованиях магнитных свойств горных пород, например при изучении палеомагнетизма.

Феррозондовые магнитометры основаны на периодическом изменении магнитной проницаемости ферромагнетиков при перемагничивании (до насыщения) переменным полем возбуждения. На обмотку возбуждения подаётся переменный ток; при этом в измерительной катушке наводится переменная эдс, чётные гармоники которой пропорциональны продольной компоненте внешнего поля. Простейший феррозондовый датчик состоит из стержневого ферромагнитного сердечника и находящихся на нём обмоток измерения и возбуждения. В наиболее распространённых феррозондовых магнитометрах используется тороидальный сердечник с обмоткой возбуждения или два стержневых сердечника с распределёнными по их длине обмотками возбуждения, включёнными последовательно-встречно (т. е. электрически последовательно, но магнитные поля, создаваемые обмотками, имеют противоположное направление). Измерения производятся либо при помощи одной общей сигнальной обмотки, либо с использованием двух обмоток, соединённых так, что нечётные гармонические составляющие магнитного поля практически компенсируются. Использование тороидального сердечника позволяет одновременно измерять 2–3 взаимно ортогональные компоненты магнитного поля, что уменьшает ошибки в определении направления вектора поля.

Феррозондовые магнитометры применяют для измерения магнитного поля Земли и его вариаций, при аэромагнитных съёмках и разведке полезных ископаемых, в космических исследованиях, хирургии, в системах контроля качества продукции, в электронных компасах. Чувствительность феррозондового магнитометра достигает 10^–4–10^–5 А/м.

Квантовые магнитометры

В работе квантовых магнитометров используются квантовые явления: свободная упорядоченная прецессия ядерных (ядерный магнитный резонанс, ЯМР) или электронных (электронный парамагнитный резонанс, ЭПР) магнитных моментов во внешнем магнитном поле, квантовые переходы между магнитными подуровнями атомов, а также квантование магнитного потока в сверхпроводящем контуре. В зависимости от способа создания макроскопического магнитного момента и метода детектирования сигнала различают: протонные магнитометры (магнитометры свободной прецессии, с динамической и синхронной поляризацией), магнитометры с оптической накачкой и др.

Датчиком протонного магнитометра служит контейнер с диамагнитной жидкостью, молекулы которой содержат атомы водорода. В качестве такой жидкости могут выступать вода, керосин, бензол, гептан и др. Ампулу с жидкостью помещают в катушку, либо катушку погружают в ёмкость с рабочей жидкостью. Через катушку вначале пропускают ток поляризации, который создаёт магнитное поле, ориентирующее магнитные моменты протонов и намагничивающее жидкость. После отключения тока поляризации магнитные моменты протонов начинают прецессировать вокруг направления измеряемого магнитного поля ${Н}_{изм}$ c частотой ${ω = γ_{p}Н}_{изм}$, где $γ_{p}$ – гиромагнитное отношение для протонов. Таким образом, измерение частоты прецессии позволяет с высокой точностью определить величину напряжённости магнитного поля.

В работе квантового магнитометра может быть использована также прецессия в магнитном поле магнитных моментов неспаренных электронов парамагнитных атомов. Частота прецессии электронов в сотни раз больше частоты прецессии протонов. Созданы протонные магнитометры, в которых ЭПР увеличивает интенсивность ЯМР (эффект Оверхаузера).

Квантовый оптический магнитометр (магнитометр с оптической накачкой) часто называют просто квантовым магнитометром. Датчиком прибора является стеклянная колба, наполненная парáми щелочного металла (например, $\text{Rb}$, $\text{Cs}$, $\text{K}$), атомы которого парамагнитны. При пропускании через колбу света с круговой поляризацией и длиной волны, соответствующей переходу атомов металла на один из возбуждённых уровней, атомы заполняют один из магнитных подуровней этого уровня, что приводит к уменьшению резонансного поглощения и рассеяния света. При помещении колбы в переменное магнитное поле с частотой ${ω = γ}_{e}{Н}_{изм}$ (${γ}_{e}$ – гиромагнитное отношение для электронов) населённость магнитных подуровней выравнивается, а поглощение и рассеяние света резко возрастают. Чувствительность протонного и оптического магнитометров составляет 10^–4–10^–5 А/м.

Все описанные квантовые магнитометры применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей, в том числе геомагнитного поля в космическом пространстве, а также в геологоразведке.

Принцип действия сверхпроводящих квантовых магнитометров (СКВИД-магнитометров) основан на квантовых эффектах в сверхпроводниках: квантовании магнитного потока в сверхпроводнике и зависимости критического тока контакта двух сверхпроводников от ${Н}_{изм}$ (см. Эффект Джозефсона). Сверхпроводящие магнитометры измеряют сверхслабые магнитные поля и применяются в биофизике, физике твёрдого тела, магнетохимии и др., а также для измерений компонент геомагнитного поля. Чувствительность СКВИД-магнитометров достигает 10^–10 A/м.

Другие типы магнитометров

Принцип действия гальваномагнитных магнитометров основан на искривлении траекторий заряженных частиц в магнитном поле. К этой группе магнитометров относятся магнитометры, использующие эффект Холла и эффект Гаусса (изменение сопротивления проводника в поперечном магнитном поле). На эффекте Холла основаны также: тесламетры, применяемые для измерения постоянных, переменных и импульсных магнитных полей; флюксметры, используемые для отбраковки постоянных магнитов; коэрцитиметры, применяемые при неразрушающем контроле качества. На основе датчиков Холла создаются градиентометры для исследования магнитных свойств материалов. Чувствительность магнитометров на эффекте Холла обычно находится в диапазоне 10–100 А/м. Эффект Гаусса применяется в магниторезистивных датчиках, используемых в электронных компасах и др. Чувствительность таких тесламетров составляет 0,5–10 А/м.

Существуют также магнитометры, принцип действия которых основан на вращении плоскости поляризации света в магнитном поле или поле намагниченного образца, изменении длины намагниченного стержня под действием приложенного поля (магнитострикции) и др. Такие магнитометры применяются в различных областях техники.