Un magnétomètre est un appareil qui sert à mesurer selon les cas l'intensité ou la direction d’un champ magnétique, ou l'aimantation d'un échantillon. Il repose sur un élément sensible au champ magnétique : le capteur de champ magnétique qui, lorsqu'il est associé à un dispositif électronique, permet d'extraire la mesure du champ magnétique. Il en existe différents types, basés sur des principes physiques différents.
Les magnétomètres sont principalement utilisés dans le cadre d’études géologiques et la détection d’anomalies magnétiques ou d’objets ferreux. Ils peuvent ainsi avoir un usage militaire, en permettant la détection de sous-marins par exemple. Au cours des dernières années, les magnétomètres ont été miniaturisés au point d’être intégrés en tant que boussole à l'intérieur des téléphones mobiles et des GPS.
Introduction Mesure du champ magnétique Le champ magnétique est une grandeur vectorielle caractérisée à la fois par sa norme, sa direction et son sens. L'intensité d’un champ magnétique est mesurée en tesla (T) dans le système SI ou en gauss (G) dans le système CGS, un tesla étant égal à Gauss..
Les mesures du champ magnétique terrestre sont généralement données en nanotesla (nT), également appelé gamma.. Un aimant d’IRM pouvant aller jusqu’à 3 teslas, alors que les fluctuations et anomalies du champ magnétique terrestre sont comprises entre et , les besoins en termes de mesure sont très différents selon que l’on veuille mesurer des champs magnétiques forts ou faibles.
On distingue donc deux grandes catégories de capteurs de champ magnétique : les magnétomètres, pour les mesures de champs inférieurs à , et les gaussmètres, qui mesurent des champs supérieurs à .
Histoire du magnétomètre
Pendant les années 1830, Carl Friedrich Gauss, alors directeur de l’Observatoire Géomagnétique de Göttingen, s’intéresse aux propriétés du champ magnétique terrestre, qu'on étudie depuis la fin des années 1600 à l'Observatoire de Paris à l'aide de différentes boussoles (de déclinaison, d'inclinaison, de variation et d'intensité). En 1833, il publia un article dans lequel il décrit un tout nouvel instrument constitué d’une barre métallique aimantée attachée à des fils d’or permettant, grâce à ses oscillations, de mesurer le champ magnétique terrestre. Il invente donc le premier magnétomètre. Le Gauss, unité de mesure du champ magnétique dans le système CGS, a ainsi été nommé en son honneur.
Dans les années 1900, le physicien Nikola Tesla fait quelques améliorations sur le magnétomètre de Gauss afin de pouvoir déplacer le magnétomètre selon un mouvement circulaire. Les innovations de Tesla, y compris son magnétomètre, ont été amenées avec lui aux États-Unis, où il a collaboré, vendu et partagé beaucoup de ses idées avec l'industriel George Westinghouse.
Après les améliorations de Tesla sur la conception du magnétomètre, de nombreux scientifiques se sont intéressés à l'invention d'un magnétomètre qui pourrait être utilisé pour mesurer le champ magnétique terrestre à partir d'un avion. Les scientifiques de l'URSS ont commencé à travailler sur le concept en 1915 et conçu un prototype en 1936. Ce magnétomètre n’était pas très sensible, ce qui le rendait peu pratique à utiliser. Une équipe de chercheurs de la Marine américaine a créé un magnétomètre qui pourrait être utilisé pour détecter les sous-marins à partir d'avions en 1943, et en 1946, Hans Lundberg utilise leurs conceptions pour créer le premier magnétomètre capable de mesurer les champs magnétiques terrestres à partir d'un hélicoptère.
Au cours des années 1950, deux nouveaux types de magnétomètres ont été inventés aux États-Unis. Le premier était le magnétomètre à résonance nucléaire qui a été produit par Varian Associates. Ce type de magnétomètre mesure le déplacement de molécules dans un liquide induit par une variation du champ magnétique. Le deuxième type est le magnétomètre fluxgate. Ce type de magnétomètre utilise trois supports tournant autour d'un point fixe. L'un suit le champ magnétique de la Terre tandis que les deux autres sont utilisés pour mesurer le champ magnétique issu d'autres objets.
Durant les décennies suivantes, les magnétomètres ont commencé à être utilisés dans le domaine des sciences. En 1963, les scientifiques Baule et McFee créent un magnétomètre pour enregistrer les battements du cœur humain. En 1968, cette même technique a été utilisée pour enregistrer l'activité du cerveau, pour la toute première fois. En 1969, Cohen perfectionne son invention, et ses recherches continuent dans les années 1990. Chaque innovation conduit à un magnétomètre plus sensible, conduisant à la technique utilisée dans les hôpitaux et les installations de tests de diagnostic actuelles. On peut ainsi déterminer comment un cœur humain fonctionne et prendre des photos détaillées du cerveau pour localiser les tumeurs ou diagnostiquer les causes de symptôme tels que des convulsions ou une perte de mémoire.
Caractéristiques d’un magnétomètre Un magnétomètre est caractérisé par : sa sensibilité (en V/T) ; sa résolution (en T) ; son bruit équivalent en champ magnétique (en T/) ; son erreur absolue ; sa linéarité ; son étendue de mesure ; sa directivité ; sa bande passante, c’est-à-dire sa capacité à capter de rapides changements de champ magnétique ; sa stabilité thermique (en T/°C) ; la tolérance en gradient, c’est-à-dire sa capacité à effectuer une mesure fiable en présence d’un gradient de champ magnétique.
Pour étalonner un magnétomètre, on utilise généralement des bobines de Helmholtz.
Les familles de magnétomètres Une grande variété de magnétomètres existe, du fait qu'un champ magnétique peut interagir de différentes manières avec un système physique.
Cette interaction peut prendre la forme d'une force ; on mesurera alors le champ magnétique par le biais de son moment. On retrouve ainsi une grande famille de magnétomètres, les magnétomètres torque, nommés ainsi d'après le terme anglais signifiant « moment ».
On peut également mesurer un champ magnétique grâce à son interaction avec un système électronique, avec les magnétomètres à effet Hall, les fluxgate et les SQUID.
Enfin, les photons interagissant avec la matière aimantée, on pourra se servir de l'effet Zeeman, de l'effet Kerr ou encore de l'effet Faraday pour mesurer un champ magnétique.
Les gaussmètres Capteur à effet Hall
Le capteur à effet Hall, qui est probablement le capteur le plus familier et le plus largement utilisé pour mesurer de forts champs magnétiques, est basé sur la découverte de l'effet Hall par Edwin H. Hall en 1879. L'effet Hall est une conséquence de la loi de la force de Lorentz, qui stipule que lorsqu'une charge mobile est soumise à une induction magnétique , elle ressent alors une force perpendiculaire à :
où est le champ électrique et la vitesse de la charge. Le capteur à effet Hall est plat, mince et rectangulaire. Il est constitué d'un conducteur ou semi-conducteur. Deux paires d'électrodes sont placées de part et d'autre de ses côtés comme illustré.
Un champ électrique est appliqué le long de l'axe . Quand un champ magnétique est appliquée perpendiculairement à la surface du dispositif, les charges libres circulant le long de l'axe sont déviées vers l'axe qui est l'axe de tension de Hall. Comme le courant ne peut pas circuler dans l'axe , cela provoque une accumulation de la charge le long de cet axe qui crée un champ électrique qui produit une force d'opposition au mouvement des charges :
où est la vitesse moyenne de dérive des électrons (ou porteurs majoritaires). Dans un conducteur qui contient charges libres par unité de volume ayant une vitesse de dérive moyenne de , la densité de courant est :
et
où est le coefficient de Hall.
En introduisant la mobilité µ et la conductivité σ du semi-conducteur, on obtient :
Donc
La valeur de varie sensiblement d'un matériau à l'autre et dépend à la fois de la température et de l'amplitude du champ mesuré. Ses caractéristiques peuvent être contrôlées dans une certaine mesure par dopage du matériau de base avec quelques impuretés. Par exemple, le dopage à l'arsenic ou au germanium peut réduire la dépendance en température au détriment de la sensibilité.
Le courant de commande typique pour les dispositifs à effet Hall est de , mais certains fonctionnent à des courants plus faibles, de l'ordre de . Les sensibilités varient de à . Le capteur est généralement petit (de l'ordre de de d'épaisseur), et une version à trois axes peut être logé dans une petite boîte. Ces dispositifs sont très efficaces pour la mesure de champ magnétique allant de à .
Les magnétomètres Scalaires Les magnétomètres scalaires mesurent l'amplitude du vecteur de champ magnétique en exploitant les propriétés nucléaires et atomiques de la matière. Lorsqu'ils sont utilisés dans de bonnes conditions, ces instruments ont une très grande résolution, une excellente précision et ne sont pas sensibles à l'orientation du champ mesuré. Ces appareils exigent que le champ magnétique soit uniforme dans tout le volume de détection. Ils ont une gamme limitée de mesure de l'amplitude du champ magnétique : typiquement de 20 µT à 100 µT. Ces capteurs n'étant pas sensibles à l'orientation du champ, il faut prendre des précautions vis-à-vis de la position du capteur pour réaliser une mesure. Les deux magnétomètres scalaires les plus largement utilisés sont le magnétomètre à résonance de protons et le magnétomètre à pompage optique.
Magnétomètre à résonance de protons
Le magnétomètre à résonance de protons utilise un champ magnétique fort pour polariser les protons dans un hydrocarbure et détecte alors la fréquence de résonance des protons due à la résonance magnétique nucléaire (RMN) une fois le champ de polarisation éteint. La fréquence de résonance est proportionnelle à l'amplitude de tout champ magnétique ambiant présent après la suppression du champ de polarisation. Cet échantillonnage de l'amplitude du champ magnétique donne au magnétomètre à résonance de protons une réponse très lente. Les fréquences maximums sont seulement de quelques échantillons par seconde. En raison de sa dépendance à l'égard des constantes atomiques, le magnétomètre à résonance de protons est l'étalon primaire pour les systèmes calibrés utilisés pour générer des champs magnétiques et calibrer les magnétomètres.
Magnétomètre à pompage optique Le magnétomètre à pompage optique est basée sur l'effet Zeeman. En 1896, Pieter Zeeman a découvert que l'application d'un champ magnétique sur des atomes qui émettent ou absorbent la lumière provoque la division des raies spectrales atomiques en un ensemble de nouvelles raies spectrales qui sont beaucoup plus rapprochées que les lignes normales. L'énergie associée aux intervalles de fréquences entre les nouvelles raies spectrales dites « hyper-fines » est proportionnelle à l'amplitude du champ magnétique appliqué. Ces niveaux d'énergie représentent les seuls états possibles d'énergie accessible pour l'atome. Le magnétomètre à pompage optique exploite cette caractéristique en stimulant optiquement les atomes pour produire un état d'énergie surpeuplé dans l'une des raies spectrales « hyper-fines ». En utilisant un champ magnétique RF (fréquence radio), on dépeuple cet état d'énergie. La fréquence RF nécessaire pour dépeupler l'état d'énergie est égale à la différence spectrale des raies hyperfines produites par un champ magnétique et, par conséquent, est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique. Le magnétomètre à pompage optique peut être utilisé pour échantillonner le champ magnétique à un taux beaucoup plus élevé que le magnétomètre à résonance de protons et peut généralement atteindre une meilleure résolution. Le taux d'échantillonnage et la résolution de l'instrument sont interdépendants. Le magnétomètre à pompage optique fut inventé en France à la suite des travaux de Jean Mosnier, d'Yves Rocard et d'Alfred Kastler.
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