magnetómetro de muestra vibrante

Un magnetómetro de muestra vibrante (VSM) (también conocido como magnetómetro de Foner ^{[ 1 ]} o magnetómetro de oscilación) es un instrumento científico que mide propiedades magnéticas basándose en la Ley de Inducción de Faraday. Simon Foner, del Laboratorio Lincoln del MIT, inventó el VSM en 1955 y lo describió en 1959. ^{[ 2 ]} También fue mencionado por GW Van Oosterhout ^{[ 3 ]} y por PJ Flanders en 1956. ^{[ 4 ]} Primero se coloca una muestra en un campo magnético constante y, si la muestra es magnética, alineará su magnetización con el campo externo. El momento dipolar magnético de la muestra crea un campo magnético que cambia en función del tiempo a medida que la muestra se mueve hacia arriba y hacia abajo. Esto se suele lograr mediante el uso de un material piezoeléctrico . El campo magnético alterno induce un campo eléctrico en las bobinas de captación del VSM. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} La corriente es proporcional a la magnetización de la muestra: cuanto mayor sea la corriente inducida, mayor será la magnetización. Como resultado, normalmente se registrará una curva de histéresis ^{[ 7 ]} y a partir de ella se pueden deducir las propiedades magnéticas de la muestra.

La idea de la muestra vibrante provino del magnetómetro de bobina vibrante de DO Smith ^{[ 8 ]} .

Descripción general típica del VSM

Principio de funcionamiento

La magnetometría de muestra vibrante se basa en el principio físico de la inducción electromagnética : una muestra con momento magnético $\mu$ se coloca en un campo magnético homogéneo $\mathbf {B}$ . La muestra se hace vibrar en el campo con posición $z(t)$ lo cual provoca un cambio en el flujo magnético

$\Phi =\int _{A}\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} =\mu _{0}\int _{A}\mathbf {\mu } \cdot d\mathbf {A}$

en una bobina sensora con área de sección transversal $\mathbf {A}$ , $\mu _{0}$ es la permeabilidad del vacío . Según la ley de inducción de Faraday , el cambio en el flujo magnético es proporcional a un voltaje eléctrico inducido.

$U_{\mathrm {ind} }={\frac {d\Phi }{dt}}={\frac {dz}{dt}}{\frac {d\Phi }{dz}}$ .

El primer factor ${\frac {dz}{dt}}$ depende directamente del dispositivo y, por lo tanto, es conocido por el experimentador. El segundo factor es proporcional a $\mu$ Los factores de proporcionalidad se determinan mediante la calibración del sistema.

Porque $U_{\mathrm {ind} }\propto \mu$ Con todos los demás factores determinados por el dispositivo o mediante calibración, una medición del voltaje inducido produce directamente el momento magnético de la muestra. ^{[ 5 ]}

Partes de una configuración típica de VSM

Electroimán/fuente de alimentación con refrigeración activa
Amplificador
Chasis de control
Metro
Interfaz de computadora
bobinas de sensores
Excitador de vibración con soporte para muestras
Sonda de efecto Hall (opcional)

Procedimiento operativo de muestra

Fuente: ^{[ 6 ]}

Colocación de la muestra en el portamuestras
Encendido del sistema VSM
Ejecute el software del ordenador para inicializar el sistema.
Calibrar el sistema
Optimizar el sistema para M ^{[ 6 ]}
Calibrar el amplificador de detección síncrona
Tomar medidas y registrar datos.

Condiciones para que el VSM sea efectivo

El campo magnético debe ser lo suficientemente fuerte como para saturar completamente las muestras (de lo contrario, se obtendrán mediciones inexactas).
El campo magnético debe ser uniforme en todo el espacio de la muestra (de lo contrario, la adición de gradientes de campo ^{[ 7 ]}^{[ 9 ]} inducirá una fuerza que alterará la vibración, lo que conducirá a resultados inexactos).

Importancia de las bobinas captadoras

Esto permite que el VSM maximice la señal inducida, reduzca el ruido, proporcione un punto de silla amplio y minimice el volumen entre la muestra y el electroimán para lograr un campo magnético más uniforme en el espacio de la muestra. ^{[ 7 ]} La configuración de las bobinas puede variar según el tipo de material que se esté estudiando. ^{[ 7 ]}

Relación con la física

El VSM se basa en la ley de inducción de Faraday , con la detección de la fem dada por $\varepsilon =N{d \over dt}(BAcos\vartheta )$ , ^{[ 9 ]} donde N es el número de vueltas de alambre, A es el área y $\vartheta$ el ángulo entre la normal de la bobina y el campo B. Sin embargo, N y A suelen ser innecesarios si el VSM está correctamente calibrado. ^{[ 9 ]} Al variar la fuerza del electroimán mediante software informático, el campo externo se barre de alto a bajo y de nuevo a alto. ^{[ 9 ]} Normalmente, esto se automatiza mediante un proceso informático y se imprime un ciclo de datos. El electroimán suele estar fijado a una base giratoria ^{[ 9 ]} para permitir que las mediciones se tomen en función del ángulo. El campo externo se aplica paralelo a la longitud de la muestra ^{[ 9 ]} y el ciclo mencionado imprime un bucle de histéresis . Luego, utilizando la magnetización conocida del material de calibración y el volumen del cable, la señal de voltaje de campo alto se puede convertir en unidades emu , lo que resulta útil para el análisis. ^{[ 9 ]}

Ventajas y desventajas

La precisión y exactitud de los VSM son bastante altas incluso entre otros magnetómetros y pueden ser del orden de ~ $\displaystyle 10^{-6}$ emu. ^{[ 7 ]} Los VSM permiten además que una muestra se pruebe en diferentes ángulos con respecto a su magnetización, lo que permite a los investigadores minimizar los efectos de las influencias externas. ^{[ 10 ]} Sin embargo, los VSM no son adecuados para determinar el ciclo de magnetización debido a los efectos desmagnetizantes que sufre la muestra. ^{[ 10 ]} Los VSM también presentan dependencia de la temperatura y no se pueden utilizar en muestras frágiles que no pueden experimentar aceleración (debido a la vibración). ^{[ 7 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

Véase también

Lecturas adicionales

Dodrill, Brad; Lindemuth, Jeffrey R. (2021), "Magnetometría de muestra vibrante" , en Franco, Victorino; Dodrill, Brad (eds.), Técnicas de medición magnética para la caracterización de materiales , Springer International Publishing, pp. 15–37 , doi : 10.1007/978-3-030-70443-8_2 , ISBN 978-3-030-70442-1

Referencias

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↑ Foner, Simon (1959). "Magnetómetro de muestra vibrante versátil y sensible" . Rev. Sci. Instrum . 30 (7): 548– 557. Bibcode : 1959RScI...30..548F . doi : 10.1063/1.1716679 .
↑ Van Oosterhout, GW (1957-12-01). "Un método rápido para medir la fuerza coercitiva y otras propiedades ferromagnéticas de muestras muy pequeñas" . Applied Scientific Research, Section B. 6 ( 1): 101–104 . doi : 10.1007/BF02920365 . ISSN 0365-7140 .
↑ Flanders, PJ; Graham, CD (1993-03-01). "Técnicas de medición magnética de CC y baja frecuencia" . Reports on Progress in Physics . 56 (3): 431– 492. doi : 10.1088/0034-4885/56/3/002 . ISSN 0034-4885 .
1 2 Dodrill, Brad; Lindemuth, Jeffrey R. (2021), "Magnetometría de muestra vibrante" , en Franco, Victorino; Dodrill, Brad (eds.), Técnicas de medición magnética para la caracterización de materiales , Cham: Springer International Publishing, pp. 15–37 , doi : 10.1007/978-3-030-70443-8_2 , ISBN 978-3-030-70442-1, consultado el 11 de enero de 2026
1 2 3 Departamento de Física de SWT. "Magnetómetro de muestra vibrante" (PDF) .
1 2 3 4 5 6 Lopez-Dominguez, V.; Quesada, A.; Guzmán-Mínguez, JC; Moreno, L.; Lere, M.; Spottorno, J.; Giacomone, F.; Fernández, JF; Hernando, A.; García, MA (2018-03-01). "Un magnetómetro de muestra vibrante simple para muestras macroscópicas" . Review of Scientific Instruments . 89 (3): 034707. Bibcode : 2018RScI...89c4707L . doi : 10.1063/1.5017708 . hdl : 10261/163494 . ISSN 0034-6748 . PMID 29604780 .
↑ Smith, DO (1956). "Desarrollo de un magnetómetro de bobina vibratoria" . Rev. Sci. Instrum . 27 (261): 261– 268. Bibcode : 1956RScI...27..261S . doi : 10.1063/1.1715538 .
1 2 3 4 5 6 7 8 Burgei, Wesley; Pechan, Michael J.; Jaeger, Herbert (10 de julio de 2003). "Un magnetómetro de muestra vibrante simple para su uso en un curso de física de materiales" . American Journal of Physics . 71 (8): 825– 828. Bibcode : 2003AmJPh..71..825B . doi : 10.1119/1.1572149 . ISSN 0002-9505 .
1 2 3 "Interpretación del análisis del magnetómetro de muestra vibrante (VSM)" . analyzetest.com . 16 de marzo de 2021. Consultado el 14 de mayo de 2021 .

[1] Rodríguez, Leo; Sapkota, Arjun; Alvarado, Jonathan; Tate, Jitendra S.; Geerts, Wilhelmus J. (2024-02-01). "Modelado computacional de un magnetómetro de muestra vibrante triaxial" . AIP Advances . 14 (2). doi : 10.1063/9.0000787 . ISSN 2158-3226 .

[2] Foner, Simon (1959). "Magnetómetro de muestra vibrante versátil y sensible" . Rev. Sci. Instrum . 30 (7): 548– 557. Bibcode : 1959RScI...30..548F . doi : 10.1063/1.1716679 .

[3] Van Oosterhout, GW (1957-12-01). "Un método rápido para medir la fuerza coercitiva y otras propiedades ferromagnéticas de muestras muy pequeñas" . Applied Scientific Research, Section B. 6 ( 1): 101–104 . doi : 10.1007/BF02920365 . ISSN 0365-7140 .

[4] Flanders, PJ; Graham, CD (1993-03-01). "Técnicas de medición magnética de CC y baja frecuencia" . Reports on Progress in Physics . 56 (3): 431– 492. doi : 10.1088/0034-4885/56/3/002 . ISSN 0034-4885 .

[:4-5] 1 2 Dodrill, Brad; Lindemuth, Jeffrey R. (2021), "Magnetometría de muestra vibrante" , en Franco, Victorino; Dodrill, Brad (eds.), Técnicas de medición magnética para la caracterización de materiales , Cham: Springer International Publishing, pp. 15–37 , doi : 10.1007/978-3-030-70443-8_2 , ISBN 978-3-030-70442-1, consultado el 11 de enero de 2026

[:0-6] 1 2 3 Departamento de Física de SWT. "Magnetómetro de muestra vibrante" (PDF) .

[:1-7] 1 2 3 4 5 6 Lopez-Dominguez, V.; Quesada, A.; Guzmán-Mínguez, JC; Moreno, L.; Lere, M.; Spottorno, J.; Giacomone, F.; Fernández, JF; Hernando, A.; García, MA (2018-03-01). "Un magnetómetro de muestra vibrante simple para muestras macroscópicas" . Review of Scientific Instruments . 89 (3): 034707. Bibcode : 2018RScI...89c4707L . doi : 10.1063/1.5017708 . hdl : 10261/163494 . ISSN 0034-6748 . PMID 29604780 .

[8] Smith, DO (1956). "Desarrollo de un magnetómetro de bobina vibratoria" . Rev. Sci. Instrum . 27 (261): 261– 268. Bibcode : 1956RScI...27..261S . doi : 10.1063/1.1715538 .

[:2-9] 1 2 3 4 5 6 7 8 Burgei, Wesley; Pechan, Michael J.; Jaeger, Herbert (10 de julio de 2003). "Un magnetómetro de muestra vibrante simple para su uso en un curso de física de materiales" . American Journal of Physics . 71 (8): 825– 828. Bibcode : 2003AmJPh..71..825B . doi : 10.1119/1.1572149 . ISSN 0002-9505 .

[:3-10] 1 2 3 "Interpretación del análisis del magnetómetro de muestra vibrante (VSM)" . analyzetest.com . 16 de marzo de 2021. Consultado el 14 de mayo de 2021 .

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