MAGNETOMETRO FLUXGATE x2

 

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS   

MAGNETOMETRO DE NUCLEO SATURADO (FLUXGATE)

Raul Ccorpuna Leon, Christian Arapa huayta, Karen Sucapuca , Abigail Pacompia,Estefany Vargas. Alumnos de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa, de la Escuela profesional de Ingeniería Geológica.

Introducción: 1.  Métodos geofísicos Con los métodos geofísicos se puede investigar zonas sin acceso para el ser humano, como el interior de la tierra. En la búsqueda de yacimientos metalíferos (prospección, exploración) estos métodos pueden dar informaciones sin hacer una perforación de altos costos. Existen varios métodos geofísicos los cuales aprovechan propiedades físicas de las rocas. Pero todos dan solamente informaciones indirectas, es decir nunca sale una muestra de una roca. Los resultados de investigaciones geofísicas son hojas de datos (números) que esperan a una interpretación.

• Localización de yacimientos de minerales

no metálicos Geotecnia • Modelización del substrato rocoso   • Detección de cavidades 

Medioambiente • Caracterización de vertederos

Para poder aplicar un método geofísico en una prospección,es necesario que presente dos condiciones importantes:que existan contrastes significativos,anomaliasque se pueden detectar y medir.Que estos contrastes se puedan correlacionar con la geología del subsuelo.

a. Métodos Magnéticos:

a.1.Campo Magnético:

El objetivo principal de la gravimetría es

Un campo magnético es una descripción

medir anomalías en el campo gravitatorio de la Tierra causadas por cambios de densidad entre distintos materiales. Los datos de campo deben ser corregidos respecto a puntos de referencia de conocida gravedad. Las correcciones serán respecto al tiempo, altura topográfica, posición geográfica, mareas y cercanía a grandes masas de roca.

matemática de la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos. El campo magnético en cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud; de tal forma que es un campo vectorial. Específicamente, el campo magnético es un vector axial, como lo son los momentos mecánicos y los campos rotacionales. El campo magnético es más comúnmente definido en términos de la fuerza de Lorentz ejercida en cargas eléctricas.

Aplicaciones: Minería • Localización de yacimientos de minerales

metálicos

Los campos magnéticos se producen cualquier carga eléctrica producida por por los PROSPECCIÓN GEOFÍSICA 

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS    electrones en movimiento y el momento magnético intrínseco de las partículas elementales asociadas con una propiedad cuántica fundamental, su espín. En la relatividad especial, campos eléctricos y magnéticos son dos aspectos interrelacionados de un objeto, llamado el tensor electromagnético. Las fuerzas magnéticas dan información sobre la carga que lleva un material a través del efecto Hall. La interacción de los campos magnéticos en dispositivos eléctricos tales como transformadores es estudiada en la disciplina de circuitos magnéticos.

a.2 ¿Cómo medimos Campos Magnéticos? Puesto que el campo magnético es una cantidad vectorial, hay dos aspectos que necesitamos medir para Intensidad y su dirección.

describirlo:

La dirección es fácil de medir. Podemos usar una brújula, que se alinea con el campo. Las brújulas se han usado para navegar (utilizando el campo magnético) desde el siglo XI. Los primeros magnetrómetros funcionales estuvieron disponibles hasta el siglo XIX. Para funcionar, la mayoría de estos magnetómetros aprovechan la fuerza que siente un electrón cuando se mueve a

fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (culombio) que se mueve a velocidad de 1 m/s dentro del campo y perpendicularmente a las líneas de campo. El tesla es una unidad muy grande, por lo que a veces se emplea como unidad de campo magnético el gauss (G) que, aunque no pertecece al Sistema Internacional sino al sistema CGS, tiene un valor más acorde con el orden de magnitud de los campos magnéticos que habitualmente se manejan. 1  T = 10.000 gauss

a.3 ¿Cuál es el origen del Campo Magnético? El campo magnético ocurre siempre que una carga está en movimiento. Conforme se pone más carga en más movimiento, la magnitud del campo magnético crece. El magnetismo y los campos magnéticos son un aspecto de la fuerza electromagnética, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.

-Formula: Cuando una carga q se mueve con una cierta velocidad, como se muestra en la siguiente figura, crea un campo magnético en todo el espacio.

través un campo magnético. La medición precisa de campos magnéticos pequeños solo ha sido práctica desde el descubrimiento, en 1988, de la magnetorresistencia gigante en materiales especiales de capas múltiples. Este descubrimiento en la física fundamental fue rápidamente aplicado a la tecnología que usan los discos duros para almacenar datos en las computadoras.

Dicho campo viene dado por la expresión:

En el sistema SI, la unidad del campo magnético es el tesla. Un tesla se define como el campo magnético que ejerce una PROSPECCIÓN GEOFÍSICA 

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS    Donde:   q es la carga creadora del campo   v es la velocidad de dicha carga   r es la distancia desde el punto





estas mediciones de campo magnético tomadas en un área grande puede detectar cambios y variaciones causados por diferentes tipos de rocas en el suelo.



donde se encuentra la carga hasta el punto P donde se está calculando

Los magnetómetros son dispositivos que miden campos magnéticos. Un

el campo   ur  es un vector unitario que va desde el punto donde se encuentra la carga hacia el punto donde se calcula el campo

magnetómetro es un instrumento con un sensor que mide la densidad de flujo magnético B (en unidades de Tesla o As / m2). Los magnetómetros se refieren a sensores utilizados para detectar campos magnéticos O a sistemas que miden el campo magnético utilizando uno o más sensores.



  μ0 es una constante denominada



permeabilidad del espacio libre. Su valor en el Sistema Internacional es μ0 = 4π 10-7 T m/A La dirección y el sentido del campo B vienen dados por la regla de la mano derecha, y su módulo es el módulo del producto vectorial:

Cuando la carga q es negativa, el sentido de B es opuesto al que se muestra en la figura. El campo magnético en la dirección del movimiento es nulo, ya que en este caso los vectores v y ur son paralelos y su producto vectorial es cero.

2.  Magnetómetro: ¿Qué es? Un magnetómetro es un dispositivo de medición utilizado por prospectores y geólogos para medir la fuerza y, a veces, la dirección del campo magnético de la Tierra en un determinado punto. A veces se los conoce como Gaussmeters o Teslameters porque la unidad de medida para campos magnéticos se conoce como gauss o tesla. Una inspección cuadriculada de una serie de

Como la densidad de flujo magnético en el aire es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético, un magnetómetro es capaz de detectar fluctuaciones en el campo de la Tierra. Los materiales que distorsionan las líneas de flujo magnético se conocen como magnéticos e incluyen materiales como la magnetita que poseen campos magnéticos propios, así como una conductividad magnética muy alta. Tales materiales crean distorsiones en el flujo magnético de la Tierra que fluye a su alrededor. Los magnetómetros detectan estas distorsiones. Un magnetómetro mide la densidad del flujo magnético en el punto en el espacio donde se encuentra el sensor. Un campo magnético disminuye en intensidad con el cubo de la distancia desde el objeto. Por lo tanto, la distancia máxima que un magnetómetro determinado puede detectar el objeto es directamente proporcional a la raíz cúbica de la sensibilidad del magnetómetro. La sensibilidad se mide comúnmente en Tesla.

2.1 Tipos: Magnetómetros se puede dividir en dos tipos básicos: PROSPECCIÓN GEOFÍSICA 

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS    1.  Magnetómetros escalares miden la fuerza total del campo magnético al que están sometidos. Por ejemplo: Magnetómetro de precesión de protones   Magnetómetro de efecto Overhauser   Magnetómetro de vapor de cesio   Magnetómetro de vapor de potasio

 

2.  Magnetómetros vectoriales tienen la capacidad de medir el componente del campo magnético en una dirección particular. Por ejemplo: Magnetómetro de bobina giratoria   Magnetómetro de efecto Hall

 



  Dispositivos magnetorresistivos Magnetómetro Fluxgate

 

 

Magnetómetro SQUID

2.2 Calibración de magnetómetros: La calibración de los magnetómetros se realiza generalmente por medio de bobinas que son suministradas por una corriente eléctrica para crear un campo magnético. Permite caracterizar la sensibilidad del magnetómetro (en términos de V/T). En muchas aplicaciones, la homogeneidad de la bobina de calibración es una característica importante. Por esta razón, las bobinas como las bobinas de Helmholtz se utilizan comúnmente en un solo eje o en una configuración de tres ejes. Para aplicaciones exigentes es obligatorio el campo magnético de alta homogeneidad, en tales casos la calibración del campo magnético se puede realizar con bobina de Maxwell, bobinas de coseno [28] o calibración en el campo magnético altamente homogéneo de la Tierra.

3.  Aplicado a la Geología:

Es una herramienta de exploración común en la búsqueda de algunos tipos de depósitos minerales. La Tierra tiene un campo magnético permanente que los científicos creen que es generado por las corrientes eléctricas que fluyen en el hierro fundido conductor de su núcleo, y estas corrientes se crean por convección de los materiales fundidos hacia arriba y hacia abajo a medida que el calor escapa del núcleo. Son los cambios causados por los minerales ricos en hierro que los geólogos utilizan en la exploración. Pueden ver objetos de hierro a profundidades mucho mayores que los detectores de metales convencionales, pero solo pueden ver materiales magnéticos como el hierro y no pueden detectar directamente metales conductores, no magnéticos como el cobre, la plata y el oro. Los minerales que tienen propiedades magnéticas significativas incluyen elementos como magnetita, maghemita, titanomagnetita, titanomaghemita, titanohematita y pirrotita. Cualquier mineral con contenido significativo de hierro es potencialmente detectable. Para encontrar depósitos y sus firmas magnéticas, los geólogos y los ingenieros utilizan extensas encuestas de propiedades con cientos o incluso miles de puntos de medición que se pueden mapear para mostrar en qué parte de la propiedad se producen las anomalías magnéticas. Por lo tanto, todos los magnetómetros pueden detectar cambios y anomalías magnéticas. Aún así, esta característica puede ser de gran utilidad para el prospector, ingeniero de minas y geólogo en su exploración de yacimientos minerales m inerales entre las líneas de datos. Los magnetómetros pueden usarse de manera indirecta para detectar otros tipos de depósitos u objetivos de exploración. Si PROSPECCIÓN GEOFÍSICA 

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS    bien un magnetómetro no puede detectar oro directamente, puede identificar sitios probables para que ocurran depósitos de oro en ciertas situaciones. Como ejemplo, si un tipo de depósito está asociado con el contacto de rocas entre una roca rica en hierro y otra baja en hierro, se pueden usar estudios de campo magnético para encontrar esos contactos de roca. Figura N° 01: Método Magnético aplicado a la Geología

Desarrollo del Tema: 4.  ¿Qué es un Magnetómetro Fluxgate? Un magnetómetro de saturación es un tipo de instrumento científico usado para detectar variaciones en el campo magnético de la Tierra. Es un magnetómetro relativamente simple. Es capaz de medir la intensidad y la dirección de los campos magnéticos estáticos o de baja frecuencia (hasta unos pocos cientos de Hz) en un rango de aproximadamente 10-10 T a 10-4 T, utilizando la característica no lineal del material ferromagnético que constituye su núcleo. Esto se lleva periódicamente a saturación en ambas polaridades a través

de un campo magnético alterno producido por una corriente que fluye a través de una bobina de excitación. Magnetómetros de saturación juegan un papel importante en la detección bajo tierra o bajo el agua objetos. Los arqueólogos, ingenieros, geólogos y los militares los utilizan o han utilizado diferentes tipos de magnetómetro de saturación. Un magnetómetro de saturación es un magnetómetro vector, lo que significa que mide no sólo la magnitud sino también la dirección del campo magnético de la Tierra. El dispositivo consta de dos núcleos ferromagnéticos rodeados por dos bobinas de alambre. Cuando el magnetómetro está activo, la corriente alterna pasa a través de una de las bobinas, conocida como la "bobina", creando campos magnéticos inducidos de diferentes intensidades y dirección complementaria en los núcleos. Los cambios en los campos magnéticos generan una corriente eléctrica en la segunda bobina, conocida como la "bobina de detección", que a continuación se puede medir. La exposición a variaciones en el campo magnético de la Tierra provoca variaciones en los campos magnéticos de los núcleos, lo que conduce a cambios en la corriente en la bobina de detección. Un magnetómetro de saturación puede medir la magnitud y dirección del campo magnético de la Tierra. El primer magnetómetro fluxgate se introdujo en los años treinta del siglo pasado y posteriormente se usó durante la Segunda Guerra Mundial en aviones para la detección de submarinos. Victor Vacquier inventó el magnetómetro de saturación en la década de 1930. Posteriormente, fluxgate se desarrolló aún más para abordar estudios geomagnéticos, para rastrear prospectos de minería y mediciones magnéticas en el espacio. El magnetómetro de saturación sigue siendo utilizado por su alta resolución, PROSPECCIÓN GEOFÍSICA 

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS    fiabilidad, robustez, simplicidad relativa, bajo consumo de energía y bajo costo. Fluxgate son dispositivos de estado sólido sin partes móviles y funcionan en un amplio rango de temperatura. Pueden alcanzar resoluciones de 10 pT y estabilidad a largo

5.  Partes de un Magnetómetro de Saturación: 

  Sensor



  Bobina de núcleo ferromagnético



  Display-Consola-Teclado-

plazo de 1 nT. Algunos magnetómetros del tipo 'fluxgate' alcanzan una precisión entre 0,5 a 1,0 gamma. El 'fluxgate magnetometer' fue el primero magnetómetro, que se utilizaron para mediciones magnéticas desde el aire (fixed wing aircraft), en la guerra en particular para hallar submarinos. Hoy día en primer lugar se los emplean para las mediciones magnéticas en pozos/sondeos. Otros instrumentos de saturación son el magnetómetro aéreo 'Gulf' y el detector magnético aéreo AN/ASQ-3A descritos en DOBRIN (1975). Figura N° 02: Relación de magnitud del vector total del campo y superposición

alfanumérico-batería(ca)



  Cable de transmisión con sistema

pasivo y activo.

PROSPECCIÓN GEOFÍSICA 

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS      Sistema de adquisición de datos:  



Figura N° 04: Fluxgate Magnetómetro 

Data logger comercial (ADC20)

Figura N° 03: Partes de un Magnetómetro Magnetómetro de Saturación: 

Figura N° 05: Esquema técnico de un

magnetómetro de núcleo saturado. 

6.  Funcionamiento de un Magnetómetro de Núcleo Saturado (Fluxgate Magnetómetro)

Funcionamiento: 

pasa por las bobinas primarias que están envueltas alrededor de barras (núcleos) de material

La manera de entender el funcionamiento de Fluxgate magnetómetro , es tener claros los conceptos de la ley de Faraday , Ley de Biot-savart aplicado a solenoides, conceptos claros de campo magnético , flujo magnético , corriente inducida en una espira y solenoide , dirección de campo, ley de Lenz y conceptos básicos de corriente alterna los cuales ya se leyeron anteriormente. 

  Se induce una corriente alterna (ca)







ferromagnético en cada ciclo decae El material ferromagnético es saturado magnéticamente de manera que sus imanes moleculares son alineados en un dirección.   Aplicando la ley de biot-savart, se tendrá el B, de la bobina 1.   B es variable pues estamos trabajando con corriente alterna pues la diferencia de potencial puesta depende del tiempo y frecuencia angular.   Por la ley de Faraday, Una bobina

secundaria alrededor de las dos

PROSPECCIÓN GEOFÍSICA 

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS    barras tendrá un voltaje inducido (fuerza electromotriz) si el flujo

magnético total pasando por la bobina está cambiando.   Aplicación del principio de inducción magnética para la corriente 2.   Para saber la dirección de B, se usa el principio del solenoide y su relación con B y la I.   Si encontramos campo externo







(TERRESRE), el flujo por cada de los

dos barra es igual en magnitud y opuesto en dirección para cada parte del ciclo, entonces el flujo

neto es cero y ningún voltaje se registra.   Si el campo externo está a favor, la saturación en la magnetización de



Uo=Permeabilidad del vacío. H=Campo magnético externo. V (t)=Fuerza electromotriz. Ue=permeabilidad relativa respecto al núcleo. Para saber la dirección del B externo se utiliza el porcentaje de saturación de cada bobina independientemente, por tanto si la bobina se satura primero eso quiere decir que el campo externo tiende hacia allí de igual manera para la bobina 2. El valor de saturación del núcleo está determinado ya en tablas como se muestra: Figura N° 06: Muestra la satura ion de

materiales establecidos en relación al campo magnético B y el campo externo

las barras varia respecto a la cual tienda en esa dirección sus imanes moleculares.   Entonces una barra se satura un tiempo antes de la otra. Los ciclos

H. 



del flujo provocado por la corriente

caen las dos barras no están en fase, y la diferencia en sus magnitudes depende de la alineación del eje del instrumento con la dirección del campo externo.   Entonces



el

flujo

magnético

pasando por la bobina secundaria varía en tiempo, y un voltaje es inducido en ella. En esta manera, se puede encontrar el tamaño del campo externo aplicando:

7.  Aplicaciones, Conclusiones 



N=Número de vueltas en la bobina 2. A=Área transversal.

y

Los sensibles magnetómetros electrónicos tienen muchos usos.

Formula:

Donde:

ejemplos

 

  Por

supuesto que son indispensables abordo de los satélites y en los aeroplanos que cartografían la estructura local del campo magnético terrestre.   En la búsqueda de petróleo.   Las puertas de embarque de los aeropuertos los usan para la detección de armas de fuego. PROSPECCIÓN GEOFÍSICA 

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS      Mientras que los almacenes y



librerías etiquetan sus productos magnéticamente y usan esas puertas para prevenir sustracciones.   La marina los usa para detectar



submarinos bajo el agua, ayudan a los agrimensores a ylocalizar estacas de límite enterradas en el suelo o tapadas por la vegetación.   El magnetómetro permite a los científicos calcular los campos magnético de diversas zonas estos campos magnéticos ayudan a la migración de aves y otras especies estos campos magnéticos también influyen en la actitud de zonas climáticas y cambios atmosféricos.



Quizá el uso más notable de este instrumento es en los experimentos médicos del Dr. David Cohen en el Instituto de Tecnología de Massachussetts (MIT). El laboratorio de Cohen está revestido con bobinas cuyas corrientes anulan la mayoría del campo magnético exterior. Dentro del laboratorio construyó una pequeña habitación que protege de cualquier resto de influencia magnética. Tiene cinco juegos de paredes una dentro de la otra, parecido a las muñecas matrioshka rusas, separadas por capas alternas de hierro (para mantener fuera campos magnéticos constantes) y aluminio (para proteger contra las fluctuaciones electromagnéticas). No alcanza el interior de la habitación ningún campo magnético detectable y se pueden llevar a cabo allí observaciones magnéticas extremadamente sensibles. Allí experimentó Cohen con las señales magnéticas del corazón y del cerebro, pero su resultado más plausible, publicado en 1979, fue el concerniente a los pulmones humanos. Las vías de aire en el cuerpo humano están revestidas con cilios como cabellos, adelante

y ondeando atrás y

constantemente eliminando así

lentamente cualquier suciedad o resto depositado en ellos (Cohen los llamó "alfombra en movimiento"). Para detectar de esta forma como se limpian los pulmones, Cohen dispuso de una docena doc ena de voluntarios que inhalaron pequeñas cantidades de polvo de óxido de hierro, que es inocuo y se puede puede magnetizar. A lo largo del año que siguió midió periódicamente la cantidad de polvo remanente en sus pulmones de la forma siguiente. Primero cada sujeto se colocaba entre un par de bobinas, por las que se hacía pasar brevemente una fuerte corriente. Esta magnetizaba los granos de polvo dentro de los pulmones y los alineaba entre sí; como los granos perdían gradualmente su alineamiento, necesitaban ser re magnetizados cada visita. Los individuos subían a la habitación protegida, donde se medía la fuerza de la magnetización de sus pulmones. Durante el año de de observaciones la cantidad de polvo descendía constantemente en todos los individuos, primero abruptamente y luego más gradualmente, finalizando a un 10 % del nivel inicial. Esto mostró que los pulmones limpian los restos bastante eficientemente. La sorpresa vino de 3 individuos adicionales, agregados más tarde, todos ellos grandes fumadores. Sus pulmones se limpiaban mucho más lentamente, y después de un año, aún permanecía en su interior aproximadamente el 50% del polvo. Cohen sacó en conclusión que el fumar mucho no solo depositaba alquitrán en los pulmones, sino que también dañaba su capacidad de autolimpiarse. Supuso que esto podía explicar por qué una combinación de fumar y exposición al amianto se asociaba al cáncer de pulmón mucho más frecuentemente de lo que se podía esperar simplemente juntando los efectos de fumar y el amianto por separado. No solo el amianto provoca cáncer, sino que el alquitrán y el humo del tabaco entorpecían PROSPECCIÓN GEOFÍSICA 

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE GEOLOGÍA, GEOFÍSICA Y MINAS    el proceso natural mediante el que los pulmones se limpiaban.



  Un magnetómetro de saturación



es un magnetómetro vector, lo que significa que mide no sólo la magnitud sino también la dirección del campo magnético de la Tierra.   El campo magnético se expresa a

8. Especificaciones 1.  Excelente estabilidad

Linealdad = 0.01% Incertidumbre= 10000nT/m 5.  Ruido =