5. Método magnético

5.1 Fundamentos teóricos

5.2 Magnetómetros y otros métodos de medición

5.3 Reducción e interpretación de los datos

5.2 Magnetómetros y otros métodos de medición

Método de Gauss para determinar la intensidad horizontal \ Brújula de inclinación \ Superbrujula de Hotchkiss \ Variómetro del tipo Schmidt \ Variómetro de compensación \ 'Flux-gate magnetometer' \ Magnetómetros nucleares \ Magnetómetro con célula de absorción \\

Magnetómetros y métodos para determinar los componentes del campo geomagnético como la intensidad total F, la intensidad horizontal H y la intensidad vertical Z (o V) o sus variaciones

Los métodos y instrumentos, que se basan en principios mecánicos son los siguientes.

Método de Gauss para determinar la intensidad horizontal

Se determina el valor absoluto de la intensidad horizontal H a través de dos experimentos:

• El experimento de oscilación define el producto M x H, en donde M = momento magnético de un imán y H = intensidad horizontal.
• El experimento de desviación define el cociente M/H.

Brújula de inclinación

Este instrumento mide la variación de la intensidad vertical Z (o V respectivamente). Se constituye de una aguja imantada que puede moverse libremente en un plano vertical y que lleva fijada a un lado del eje un peso ajustable. Un par de torsión gravitatorio (peso ajustable) es equilibrado por un par de torsión magnético (imán). Cualquier variación del componente vertical del campo terrestre cambia el momento de la fuerza magnética y por tanto el ángulo de inclinación de la aguja. Se debe orientar el imán en un plano vertical y los polos del imán paralelos a la dirección del componente total del campo.

Superbrujula de Hotchkiss

Esta brújula mide la variación de la intensidad total F de un campo magnético. Su construcción es semejante a la de la brújula de inclinación, además tiene una barra auxiliar no magnética, que lleva un contrapeso regulable. Para medir la variación de F se orienta los polos del imán paralelamente a la dirección del campo total, la medición se realiza orientando la superbrújula en una dirección perpendicular al meridiano (longitud) magnético.

Variómetro del tipo Schmidt

Este instrumento mide la variación de la intensidad vertical Z (o V respectivamente) y un variómetro modificado mide la variación de la intensiad horizontal H de un campo magnético. El variómetro consiste en un imán pivotado cerca, pero no directamente en el centro de su masa, de tal modo que el campo geomagnético origine un par de torsión magnético en torno del pivote opuesto al par de torsión de la atracción gravitatoria sobre el centro. El ángulo para el cual se alcanza el equilibrio depende de la intensidad del campo. El imán pivotado tiene que ser orientado horizontalmente y en la dirección este-oeste geomagnético para medir la variación de Z.

La construcción del variómetro para la medición de la variación de la intensidad horizontal H es parecida salvo que el sistema magnético (imán pivotado) tiene por posición inicial la vertical y la dirección norte-sur geomagnético.

Variómetro de compensación

Este instrumento mide la variación de la intensidad vertical Z y un variómetro modificado mide la variación de la intensidad horizontal H. La construcción del variómetro de compensación es semejante a aquella del variómetro del tipo Schmidt, pero en vez de medir la inclinación del sistema con respecto a la horizontal (variómetro vertical) se mide la fuerza necesaria para devolverlo a la horizontal. El imán pende de finos hilos y la fuerza restauradora se obtiene mediante el desplazamiento de imanes compensadores. En el caso del magnetómetro de torsión por ejemplo de 'Askania' según Haalck la aguja magnética tiene que ser orientada horizontalmente.

Un instrumento, que se basa en principios eléctricos (saturación), se presenta en lo siguiente.

'Flux-gate magnetometer'

Este magnetómetro mide la variación de la intensidad vertical V de un campo magnético y se lo orienta horizontalmente. Su principio se basa en el fenómeno de que campos magnéticos tan pequeños como el terrestre inducen en materiales de gran permeabilidad µ densidades de flujo, que representan una fracción apreciable de la densidad de saturación. La forma de onda de corriente resulta distorsionada si se superpone un campo magnético estacionario y esta distorsión se utiliza para medir dicho campo.

Se produce el campo magnético estacionario cíclico por medio de una bobina, que rodea un imán y que está alimentada por una corriente alterna suficientemente intensa. Superponiendo el campo magnético cíclico inducido al campo terrestre el campo magnético resultante saturará el imán o es decir el núcleo. El lugar en el ciclo energizante en que se llegue a la saturación da una medida del campo magnético ambiental.

En detalle este tipo de magnetómetro se constituye de dos imanes o núcleos respectivamente, cuyos ejes están alineados paralelamente a la dirección del campo terrestre (véase fig. 13-17 en construcción). En un campo externo variándose cíclicamente el comportamiento de los imanes resulta en típicas curvas de histéresis (en un diagrama B en función de H). Cada uno de estos núcleos se ubica en el centro de una bobina con un arrollamiento en sentido opuesto en comparación a aquel de la otra bobina. Las dos bobinas primarias están conectadas en serie y generan en los dos núcleos densidades de flujo magnético de la misma intensidad, pero de signos opuestos, es decir que los momentos magnéticos de los dos núcleos se orientan en direcciones opuestas por el arrollamiento en sentido opuesto de las dos bobinas. Cada bobina posee un arrollamiento secundario, cuyas dos secciones están conectadas con un voltímetro para indicar la diferencia entre las dos salidas.

• En un instante discreto el campo terrestre refuerza el campo engendrado por una de las bobinas y se opone al campo producido por la otra bobina. Primero se considera la magnetización de un solo núcleo en ausencia de un campo ambiental natural, como sucede cuando el eje del núcleo está normal a la dirección del campo terrestre.
• El campo de la excitación H, correspondiente al campo magnético inducido tiene una forma sinusoidal (curva a de fig. 13-17 en construcción).
• Este campo sobresatura el núcleo en el alto y en el fondo de cada ciclo, como se expresa por los altos y bajos truncados de la curva b.
• El voltaje secundario es proporcional a la variación de la densidad del flujo magnético y en consecuencia se acerca a cero durante la parte del ciclo, en que el núcleo está saturado, como se ve en la curva c.
• Introduciendo un campo natural que ayude a (superpone) la magnetización de la corriente de excitación, se llega antes al punto de saturación en el ciclo (indicado por el descenso en el voltaje secundario), que sí están en oposición el campo natural y el de la excitación. Esto está representado por las curvas d y e.
• Si las salidas de voltaje de ambas bobinas están conectadas en oposición, la salida resultante (curva f) consiste en pares de crestas, cuya altura es dentro de límites razonables proporcional al campo magnético.

Algunos magnetómetros del tipo 'flux-gate' alcanzan una precisión entre 0,5 a 1,0gamma.

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 aéro 'Gulf' y el detector magnético aéreo AN/ASQ-3A descritos en DOBRIN (1975).

La intensidad magnética total es la magnitud del vector del campo geomagnético independiente de su dirección o es decir el campo total es una cantidad escalar. En el caso de una perturbación del vector regional del campo geomagnético F el vector perturbador P se suma al campo no estorbado por adición vectorial. Los magnetómetros, que miden el campo magnético total, miden solo la magnitud del vector resultante o es decir la porción del vector perturbador, que está dirigida en la misma dirección como el campo magnético regional. En consecuencia para campos magnéticos perturbadores pequeños con respecto al campo geomagnético la variación del campo magnético medida com_FP es de valor muy similar al valor de la componente del vector perturbador dirigido en la misma dirección como el campo magnético regional. Para campos anómalos pequeños con respecto al campo geomagnético vale F + P = +/- (F + com_FP).

Magnetómetros nucleares

Magnetómetro protónico de precesión

Este magnetómetro mide la intensidad total absoluta del campo magnético a tiempos discretos. El instrumento se basa en la mecánica cuántica, específicamente en el fenómeno de la resonancia magnética nuclear. Aproximadamente los dos tercios de todos los núcleos atómicos (protones) tienen un momento magnético. Estos núcleos pueden ser considerados como diminutos imanes en forma de esferas, que giran alrededor de sus ejes magnéticos. Se aplica repentinamente un campo magnético intenso en una dirección en ángulo recto con la del campo terrestre a una botella de agua o de una otra sustancia, que contiene una gran cantidad de protones H⁺ y que está polarizada solamente por el campo terrestre. Los protones se orientan hasta que apunten en la dirección correspondiente a la resultante de los dos campos. Si el campo exterior es 100 o más veces mayor que el campo terrestre en la estación de observación, el campo resultante en el interior del agua apuntará aproximadamente en la misma dirección que el campo aplicado. Al desaparecer el campo magnético exterior, el momento magnético recobrará su valor y dirección primitivos en el campo terrestre H por 'precesión' en torno de ese campo a una velocidad angular w = g_p x F, en donde g_p es la razón giromagnética del protón y una constante de proporcionalidad (23,4873826 g/Hz) y F es el campo terrestre. La frecuencia de la 'precesión' es directamente proporcional al valor del componente total del campo magnético. Se obtiene la intensidad total del campo terrestre midiendo la frecuencia de este voltaje inducido con la precesión necesaria y modificándola. Debido al proceso de la inducción electromagnética la amplitud de la señal es proporcional a F. Por esto la sensibilidad del magnetómetro es alta en un campo magnético intenso, mientras que en un campo magnético débil la sensibilidad se disminuye. En un campo terrestre de 50000gamma la frecuencia de precesión medida con contadores digitales tiene valores alrededor de 2000Hz y el magnetómetro logra una precisión de 0,1gammas. Una medición se puede realizar en un cuarto de un segundo, pero con una sensibilidad reducida. Las limitaciones de los magnetómetros nucleares son gradientes muy grandes (mayor a 300 a 1000gammas cada metro) debido al tamaño relativamente grande de la botella con el liquido de protones y interferencias debidas a corrientes eléctricas alteradas. En el primero caso de un campo magnético de gradiente muy alto la intensidad del campo variaría adentro de la unidad de medición como la botella con el liquido de protones y por consiguiente el magnetómetro no podría determinar un valor constante.

Magnetómetro protónico del tipo Overhauser

Un otro tipo de magnetómetro nuclear, denominado magnetómetro protónico basándose en el efecto Overhauser fue desarrollado al principio de la década sesenta. En lo que sigue se explica el efecto Overhauser en forma sencilla en términos mecánicos como lo fue hecho en el caso del magnetómetro protónico de precesión. Una explicación más detallada requiere conocimientos de la mecánica cuántica. Los magnetómetros de este tipo usan una solución rica en protones y iones paramagnéticos. Bajo la influencia de la llamativa frecuencia propia del electrón no perturbado, que está en el rango de las frecuencias muy altas (VHF) de radio, los iones paramagnéticos muestran una resonancia. Al aplicar una señal de muy alta frecuencia (VHF) a la solución de protones e iones paramagnéticos (dominada por la frecuencia propia del electrón no perturbado) el espín nuclear ubicándose en el protón está polarizado en consecuencia de la interacción entre los electrones y los núcleos atómicos. La polarización es continua y la señal cambia instantáneamente con el campo magnético ambiental. Con este método se logra un aumento de la intensidad de la señal en el rango de 100 a 1000 veces resultando en señales de precesión con magnitudes entre 1 y 10mV (las señales de precesión producidas por el magnetómetro protónico de precesión varían alrededor de 1mV). Por esto la razón 'señal a ruido' se reduce apreciadamente y en consecuencia se reduce la incertidumbre de la medición. El magnetómetro protónico del tipo Overhauser requiere un intervalo de tiempo de medición de 8 a 10 s como mínimo, midiendo un intervalo de tiempo mayor se puede aumentar la sensibilidad de medición.

En la tabla siguiente se compara las características de los dos magnetómetros nucleares:

Magnetómetro con célula de absorción

Este instrumento se funda en la separación de líneas espectrales (absorción óptica) por la influencia de un campo magnético. Este fenómeno fue descubierto en 1896 por el holandés P. ZEEMAN (efecto Zeeman) y empleado en los magnetómetros desde el principio de la década setenta de este siglo. Un magnetómetro de este tipo se compone de una célula con una sustancia gaseiforme como He o vapor de álcalis como Rb, Cs o K y excitada por un rajo de luz emitida por una fuente de la misma sustancia gaseiforme. La luz incidente se ajusta por medio de un polarizador circular antes de entrar en la célula de absorción del vapor. Los álcalis metálicos gaseiformes de poca cantidad en la célula son excitados por la luz polarizada. En los átomos resulta una elevación de su estado energético fundamental a varios niveles ópticos. En presencia de un campo magnético externo como el campo geomagnético los niveles fundamentales y elevados se separan en niveles magnéticos estrechamente espaciados. A este se llaman efecto de ZEEMAN según su descubridor.

La absorción óptica se basa en el fenómeno que las probabilidades de transición de electrones desde un subnivel magnético fundamental no son iguales para cada nivel de la luz circularmente polarizada y bombeada, mientras que la transición o descomposición respectivamente desde los niveles excitados hacia el nivel fundamental es a menudo completamente el resultado de una emisión espontánea, o es decir la transición es igual para todos los subniveles. Los electrones siempre llegan a los subniveles fundamentales en cantidades iguales, pero debido a la absorción óptica los electrones se van en cantidades distintas a otros niveles energéticos. En consecuencia se obtiene diferentes grados de ocupación para los distintos subniveles fundamentales. En esta fase de absorción óptica el gas en la célula es más transparente para la luz incidente en comparación al gas no afectado por bombeo óptico. La modulación de la transparencia se toma como medida para el campo magnético ambiental.

El magnetómetro de absorción óptica mide la intensidad total del campo magnético continuamente, con sensibilidad alta y una exactitud hasta 0.01gamma. El magnetómetro más común de este tipo emplea Cesio como sustancia gaseiforme.

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