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磁力計は、磁場（B）または磁気双極子モーメントを測定する装置です。さまざまな種類の磁力計は、特定の場所における磁場Bの方向、強度、または相対的な変化を測定します。方位磁針はそのような装置の一つで、周囲の磁場、この場合は地球の磁場の方向を測定します。他の磁力計は、例えばコイルに誘導される電流に対するこの磁気双極子の影響を記録することによって、強磁性体などの磁性体の磁気双極子モーメントを測定します。
磁力計の発明は、通常、1832 年にカール・フリードリヒ・ガウスによるものとされている。 [ 1 ] [ 2 ]それ以前には、 1819 年にクリストファー・ハンステーンによって、また1823 年までにウィリアム・スコアズビーによって、より原始的な装置が開発されていた。[ 3 ] [ 4 ]
磁力計は、地球の磁場測定、地球物理探査、各種磁気異常の検出、磁性体の双極子モーメントの測定などに広く用いられています。航空機の姿勢方位基準システムでは、方位基準として一般的に使用されています。また、軍事分野では、潜水艦探知用の磁気機雷の起爆装置としても使用されています。そのため、米国、カナダ、オーストラリアなどの一部の国では、高感度磁力計を軍事技術として分類し、その流通を規制しています。
磁力計は金属探知機として使用できます。磁力計は強磁性金属のみを検出できますが、導電率を利用する従来の金属探知機よりもはるかに遠距離から金属を検出できます。磁力計は、自動車などの大型物体を10メートル（33フィート）以上離れた場所から検出できますが、従来の金属探知機の検出範囲は2メートル（7フィート）を超えることはほとんどありません。
近年、磁力計は小型化が進み、非常に低コストで集積回路に組み込むことが可能になり、小型コンパス（MEMS磁場センサー）としてますます広く利用されるようになっている。
磁場は、強さと方向の両方によって特徴付けられるベクトル量です。磁場の強さBは、 SI 単位系ではテスラ(T) で、cgs 単位系ではガウス (GA)で測定されます。10,000 ガウスは 1 テスラに相当します。[ 5 ]地球の磁場の測定値は、ナノテスラ (nT) またはガンマ (γ) という単位で示されることがよくあります。[ 6 ]地球の磁場は、場所によって20,000 ～80,000 nTの地球 磁場の変動は、100 nTであり、磁気異常による磁場変動はピコテスラ (pT) の範囲になることがあります。[ 7 ]ガウスメーターとテスラメーターは、それぞれガウスまたはテスラの単位で測定する磁力計です。文脈によっては、磁力計は 1 ミリテスラ (mT) 未満の磁場を測定する機器に使用され、ガウスメーターは 1 mT を超える磁場を測定する機器に使用されます。[ 5 ]
磁力計による測定には、大きく分けて2種類あります。ベクトル磁力計は磁場のベクトル成分を測定します。全磁場磁力計またはスカラー磁力計は、ベクトル磁場の大きさを測定します。[ 8 ]地球の磁場を研究するために使用される磁力計は、磁場のベクトル成分を偏角（磁場ベクトルの水平成分と真北または地理上の北との間の角度）と傾斜角（磁場ベクトルと水平面との間の角度）で表すことがあります。[ 9 ]
絶対磁力計は、磁気センサーの内部校正または既知の物理定数を使用して、絶対的な大きさまたはベクトル磁場を測定します。[ 10 ]相対磁力計は、固定されているが校正されていないベースラインに対する大きさまたはベクトル磁場を測定します。バリオメーターとも呼ばれる相対磁力計は、磁場の変動を測定するために使用されます。
磁力計は、その設置場所や用途によって分類されることもあります。固定式磁力計は固定位置に設置され、磁力計が静止している間に測定が行われます。[ 8 ]携帯式または移動式磁力計は、移動中に使用することを目的としており、手動で持ち運んだり、移動車両で運搬したりできます。実験室用磁力計は、内部に置かれた物質の磁場を測定するために使用され、通常は固定されています。調査用磁力計は、地磁気調査で磁場を測定するために使用されます。これらは、 INTERMAGNETネットワークのように固定基地局である場合もあれば、地理的領域をスキャンするために使用される移動式磁力計である場合もあります。Inco による航空磁力測定の早期採用 (1950 年代) により、ニッケル鉱床が発見され、マニトバ州トンプソンの設立につながりました。[ 11 ]
磁力計の性能と機能は、その技術仕様によって説明されます。主な仕様には、[ 5 ] [ 7 ]が含まれます。
方位磁針は、周囲の磁場に応じて向きが変わる磁化された針で構成されており、磁場の方向を測定する単純な磁力計の一種です。磁化された針の振動周波数は、周囲の磁場の強さの平方根に比例します。したがって、例えば、水平に設置された方位磁針の針の振動周波数は、周囲の磁場の水平方向の強さの平方根に比例します。
1823年、イギリスの探検家、科学者、聖職者であったウィリアム・スコアズビー（1789-1857）は、磁気科学、特に船舶用羅針盤の改良に深く関わっていた。同年、彼はエジンバラ王立協会紀要に「磁力計の説明：磁力を測定し、針の傾きを求めるための新しい装置、およびそれを用いた実験の報告」と題する論文を発表した。
1833年、ゲッティンゲン地磁気観測所の所長であったカール・フリードリヒ・ガウスは、地球の磁場の測定に関する論文を発表した。[ 12 ]この論文では、金繊維から水平に吊り下げられた永久棒磁石からなる新しい装置について説明している。棒磁石が磁化されているときと磁化されていないときの振動の差によって、ガウスは地球の磁場の強さの絶対値を計算することができた。[ 13 ]
磁束密度のCGS単位であるガウスは、彼の名誉を称えて名付けられ、1平方センチメートルあたり1マックスウェルと定義され、これは10⁻⁴テスラ（SI単位）に相当する。[ 14 ]
フランシス・ロナルズとチャールズ・ブルックは1846年にそれぞれ独立して磁力計を発明し、写真を使って磁石の動きを連続的に記録することで、観測者の負担を軽減した。[ 15 ]これらはエドワード・サビンらが世界規模の磁気調査ですぐに利用し、改良された機械は20世紀に入っても長く使われ続けた。[ 16 ] [ 17 ]
実験室用磁力計は、試料の磁化、すなわち磁気モーメントを測定します。調査用磁力計とは異なり、実験室用磁力計では試料を磁力計内部に設置する必要があり、多くの場合、試料の温度、磁場、その他のパラメータを制御できます。試料の磁化は、主に原子内の不対電子の秩序に依存し、核磁気モーメント、ランジュバン反磁性などによる寄与は小さいです。磁気モーメントの秩序は、主に反磁性、常磁性、強磁性、反強磁性に分類されます（ただし、磁気秩序の分類には、フェリ磁性、ヘリ磁性、トロイダル、スピングラスなども含まれます）。温度と磁場の関数として磁化を測定することで、磁気秩序の種類、および臨界温度または臨界磁場で発生する異なる種類の磁気秩序間の相転移に関する手がかりを得ることができます。この種の磁気測定は、物理学、化学、地球物理学、地質学、そして場合によっては生物学において、物質の磁気特性を理解する上で非常に重要です。
SQUID磁力計は、調査用磁力計としても実験室用磁力計としても使用されるツールの一種です。[ 18 ]これは、超伝導ループにおける磁束量子化の概念に基づいています。[ 19 ] SQUID磁力測定は、非常に高感度な絶対磁力測定技術であり、最適化された実験室環境では再現性よくフェムトテスラ分解能を達成します。[ 20 ]しかし、SQUIDはノイズに敏感であるため、高直流磁場やパルス磁石では実験室用磁力計としては実用的ではありません。セットアップの少なくとも一部（超伝導要素）を極低温まで冷却する必要があるため、センサーを磁場源に任意に近づけることができず、用途が制限されます。[ 21 ]市販のSQUID磁力計は、300 mK～400 Kのサンプル温度と最大7 Tの磁場に対応しています。[ 22 ] [ 23 ]
誘導ピックアップコイル（誘導センサとも呼ばれる）は、試料の磁気モーメントの変化によってコイルに誘起される電流を検出することで、試料の磁気双極子モーメントを測定します。試料の磁化は、コンデンサ駆動パルス磁石のように、小さな交流磁場（または急速に変化する直流磁場）を印加することで変化させることができます。これらの測定では、試料によって生成される磁場と外部から印加される磁場を区別する必要があります。多くの場合、キャンセルコイルの特殊な配置が使用されます。たとえば、ピックアップコイルの半分を一方の方向に巻き、もう半分を反対方向に巻き、試料を一方の半分にのみ配置します。外部の均一磁場はコイルの両方の半分で検出されますが、コイルは逆方向に巻かれているため、外部磁場は正味の信号を生成しません。
振動試料磁力計（VSM）は、誘導ピックアップコイル内またはSQUIDコイル内で試料を機械的に振動させることにより、試料の双極子モーメントを検出します。[ 24 ]コイル内の誘導電流または変化する磁束が測定されます。振動は通常、モーターまたは圧電アクチュエータによって生成されます。通常、VSM技術はSQUID磁力計よりも感度が約1桁低くなります。VSMはSQUIDと組み合わせることで、どちらか一方だけの場合よりも感度の高いシステムを作成できます。試料の振動による熱により、VSMのベース温度が制限される場合があり、通常は2 Kです。また、VSMは、急激な加速に敏感な壊れやすい試料の測定には実用的ではありません。
パルス磁場磁力計は、ピックアップコイルを用いて磁化を測定するもう一つの方法です。試料を物理的に振動させる振動磁力計（VSM）とは異なり、パルス磁場磁力計では試料を固定し、例えばコンデンサ駆動磁石を用いて外部磁場を急速に変化させます。その後、試料によって発生する磁場から外部磁場を相殺するために、複数の手法のうちいずれかを用いる必要があります。これらの手法には、外部の均一磁場を相殺する逆巻きコイルや、試料をコイルから取り外した状態でのバックグラウンド測定などが含まれます。
磁気トルク磁力計は、SQUID磁力計よりもさらに高感度になる可能性があります。ただし、磁気トルク磁力計は、前述のすべての方法のように磁気を直接測定するわけではありません。磁気トルク磁力計は、均一な磁場Bの結果として試料の磁気モーメントμに作用するトルクτを測定します。τ = μ × B。したがって、トルクは試料の磁気異方性または形状異方性の尺度となります。場合によっては、測定されたトルクから試料の磁化を抽出できます。また、磁気トルク測定は、磁気相転移や量子振動を検出するために使用されます。磁気トルクを測定する最も一般的な方法は、試料をカンチレバーに取り付け、カンチレバーと近くの固定物体との間の静電容量測定、カンチレバーの圧電性測定、またはカンチレバー表面からの光学的干渉によって変位を測定することです。
ファラデー力磁力測定法は、空間磁場勾配が磁化された物体に作用する力F = ( M ⋅∇) Bを生み出すという事実を利用します。ファラデー力磁力測定法では、サンプルにかかる力は、スケール（高感度天秤にサンプルを吊り下げる）またはバネに対する変位を検出することによって測定できます。一般的には、感度、サイズ、および機械部品がないことから、容量性ロードセルまたはカンチレバーが使用されます。ファラデー力磁力測定法は、SQUID よりも感度が約 1 桁低いです。ファラデー力磁力測定法の最大の欠点は、磁場を生成するだけでなく、磁場勾配も生成する何らかの手段が必要であることです。これは、一連の特殊な極面を使用することで実現できますが、勾配コイルのセットを使用すると、はるかに優れた結果が得られます。ファラデー力磁力測定法の大きな利点は、小型でノイズに対する耐性が比較的高いため、希釈冷凍機を含む幅広い環境で実装できることです。ファラデー力磁力測定は、トルクの存在によって複雑になる場合がある（前述の手法を参照）。これを回避するには、印加する直流磁場とは独立して勾配磁場を変化させ、トルクとファラデー力の寄与を分離するか、または試料の回転を防止するファラデー力磁力計を設計すればよい。
光磁気測定法は、磁化を測定するために様々な光学的手法を利用します。その一つであるカー磁気測定法は、磁気光学カー効果（MOKE）を利用します。この手法では、入射光を試料の表面に照射します。光は磁化された表面と非線形に相互作用するため、反射光は楕円偏光を持ち、これを検出器で測定します。光磁気測定法のもう一つの方法は、ファラデー回転磁気測定法です。ファラデー回転磁気測定法は、非線形磁気光学回転を利用して試料の磁化を測定します。この方法では、測定対象の試料にファラデー変調薄膜を塗布し、反射光の偏光を検出するカメラで一連の画像を撮影します。ノイズを低減するために、複数の画像を平均化します。この方法の利点の一つは、試料表面の磁気特性をマッピングできることです。これは、超伝導体のマイスナー効果などを研究する際に特に役立ちます。マイクロ加工された光ポンピング磁力計（μOPM）は、現在入手可能なSQUIDよりも正確に脳発作の発生源を検出でき、発熱量も少ない。[ 25 ]このデバイスは、偏光を用いてルビジウム原子のスピンを制御し、磁場を測定および監視することで動作する。[ 26 ]
磁化測定法は厳密には磁力測定法ではありませんが、上記の方法と密接に関連しています。磁化Mの代わりに磁気感受率χ = dM/dHを測定します。[ 27 ]これは、試料の動的な磁気特性を調べるために、 （静的な磁場ではなく）動的な磁場H ( t ) を試料に印加する場合に特に重要です。[ 27 ]数学的に最も単純なケースでは、正弦波励起場h ( t ) = h 0 sin(2 πt ) が一定の（おそらくゼロの）磁場Hに重ね合わされます。H ( t ) = H 0 + h ( t )。結果として得られる時間依存の磁化M ( t )は、一連の高調波に分解できます。M ( t )の定数項と第 1 次高調波 (高調波は省略)は、 M ( t ) = M 0 + h ( χ' 1 sin( 2πt )+ χ '' 1 cos( 2πt ))と表されます。χ ' 1とχ '' 1は一般的に交流磁化率と呼ばれ、 χ' 1は反応性/同相成分、χ '' 1は吸収性/逆相成分です。
この手法は、例えば磁気相転移[ 28 ]やスピングラスの凍結挙動[ 29 ]に関する知見を得るために使用できる。秩序化点に近づくと、スピンダイナミクスは臨界減速を示し、これは吸収成分χ''1がピークに達することを意味する（誘電体のデバイ緩和モデルを参照）。 [ 30 ]
AC磁化率測定法は、静磁化率を決定するためのより便利なプローブとしても使用できます。[ 30 ]この場合、周波数fはスピンダイナミクスよりも小さく選択されます。励起振幅hは、任意の磁場掃引（ M（H ）測定）における典型的なステップサイズよりもかなり小さく選択できるため、導関数χ = dM/dHとしての磁化率は、DC磁力測定の典型的な値ΔH~10 2 Oeではなく、小さな磁場差h~ 10 0 Oe（差分商を参照）でより正確に近似されます。
勾配磁場中の双極子は正味の力を受ける。力の強さは測定可能であり、双極子の磁気モーメントに比例する。磁場の勾配を交互に変化させ、ロックインアンプを使用することで、低ノイズフロアを実現できる。[ 31 ]
調査用磁力計は、大きく2つのタイプに分けられます。
ベクトルとは、大きさと方向の両方を持つ数学的な実体です。ある地点における地球の磁場はベクトルです。磁気コンパスは水平方向の方位を示すように設計されていますが、ベクトル磁力計は全磁場の大きさと方向の両方を測定します。磁場の3次元成分を測定するには、 3つの直交するセンサーが必要です。
また、磁場の強さを既知の内部定数から較正できる場合は「絶対」、既知の磁場を基準として較正する必要がある場合は「相対」と評価されます。
磁力計は、時間経過とともにデータを連続的に記録する磁力計です。このデータは通常、磁力図で表されます。[ 32 ]
磁力計は、時間的に比較的速く変化する磁場（> 100 Hz）を測定する場合は「交流（AC）」 、ゆっくりと変化する磁場（準静的）または静的な磁場を測定する場合は「直流（DC）」に分類されます。交流磁力計は電磁システム（地磁気地電流法 など）で使用され、直流磁力計は鉱化作用およびそれに伴う地質構造の検出に使用されます。
プロトン歳差磁力計（プロトン磁力計、PPM、または単にマグとも呼ばれる）は、核磁気共鳴（NMR）により、測定対象の磁場におけるプロトン（水素原子核）の共鳴周波数を測定します。歳差周波数は原子定数と周囲の磁場の強さのみに依存するため、このタイプの磁力計の精度は1 ppmに達する可能性があります。[ 33 ]
ソレノイドに直流電流を流すと、水素を豊富に含む流体（灯油やデカンがよく用いられ、水も使用可能）の周囲に強い磁場が発生し、一部の陽子がその磁場に沿って整列します。その後、電流を遮断すると、陽子は周囲の磁場に再び整列し、磁場に比例した周波数で歳差運動を起こします。これにより、弱い回転磁場が発生し、それが（場合によっては独立した）インダクタによって検出され、電子的に増幅された後、デジタル周波数カウンタに入力されます。デジタル周波数カウンタの出力は通常、磁場強度として直接表示されるか、デジタルデータとして出力されます。
手持ち式またはバックパック式の測定器の場合、PPMサンプリングレートは通常、1秒あたり1サンプル未満に制限されます。測定は通常、センサーを約10メートル間隔の固定位置に保持して行われます。
携帯型機器は、センサーの体積（重量）と消費電力によっても制限されます。PPMは最大3,000 nT/mの磁場勾配で動作し、これはほとんどの鉱物探査作業に十分です。縞状鉄鉱層のマッピングや大型鉄物体の検出など、より高い勾配許容度が必要な場合は、オーバーハウザー磁力計が対応できます。10,000 nT /m、セシウム磁力計は30,000 nT /m。
これらは比較的安価（8,000米ドル未満）で、かつては鉱物探査で広く使用されていました。市場はGEM Systems、Geometrics、Scintrexの3社が支配的です。人気機種には、G-856/857、Smartmag、GSM-18、GSM-19Tなどがあります。
鉱物探査においては、これらの装置はオーバーハウザー式、セシウム式、カリウム式の装置に取って代わられており、これらの装置はすべて高速サイクルで動作し、測定の合間にオペレーターが一時停止する必要がない。
オーバーハウザー効果磁力計（またはオーバーハウザー磁力計）は、陽子歳差磁力計と同じ基本的な効果を利用して測定を行います。測定流体にフリーラジカルを加えることで、核オーバーハウザー効果を利用して陽子歳差磁力計を大幅に改善できます。ソレノイドを使用して陽子を整列させる代わりに、低電力の高周波磁場を使用してフリーラジカルの電子スピンを整列（偏極）させ、オーバーハウザー効果を介して陽子と結合させます。これには主に2つの利点があります。RF磁場を駆動するのに必要なエネルギーがごくわずかであるため（携帯型装置用の軽量バッテリーが可能）、また、測定中にも電子と陽子の結合が起こるため、サンプリング速度が速くなります。オーバーハウザー磁力計は、1秒間に1回のサンプリングで、0.01 nT～0.02 nTの標準偏差で測定値を生成します。
光ポンピング式セシウム蒸気磁力計は、高感度（300 fT/Hz 0.5 ）かつ高精度な装置であり、幅広い用途で使用されています。これは、この方法で使用されるアルカリ金属蒸気（ルビジウムやカリウムなど）の1つです。 [ 34 ]
この装置は、レーザーなどの光子発生器、放出された光子が通過する緩衝ガスと混合されたセシウム蒸気を含む吸収室、および光子検出器から構成され、この順序で配置されている。緩衝ガスは通常ヘリウムまたは窒素であり、セシウム蒸気原子間の衝突を低減するために使用される。
この装置が動作する基本原理は、セシウム原子が9つのエネルギー準位のいずれかに存在できるという事実に基づいています。これは、原子核の周りの電子軌道の配置として簡単に考えることができます。チャンバー内のセシウム原子がレーザーからの光子に遭遇すると、より高いエネルギー状態に励起され、光子を放出し、不確定なより低いエネルギー状態に遷移します。セシウム原子は、9つのエネルギー状態のうち3つの状態においてレーザーからの光子に「敏感」であるため、閉鎖系を仮定すると、すべての原子は最終的に、レーザーからのすべての光子が妨げられることなく通過し、光子検出器によって測定される状態になります。セシウム蒸気は透明になります。このプロセスは、できるだけ多くの電子をその状態に維持するために継続的に行われます。
この時点で、試料（または集団）は光励起され、測定準備が整った状態にあると言えます。外部磁場が印加されると、この状態が乱され、原子が異なる状態へと移動することで蒸気の透明度が低下します。光検出器はこの変化を測定することで、磁場の大きさを計測することができます。
最も一般的なセシウム磁力計では、セルに非常に弱い交流磁場が印加されます。電子のエネルギー準位の差は外部磁場によって決まるため、この弱い交流磁場によって電子の状態が変化する周波数が存在します。この新しい状態において、電子は再び光子を吸収することができます。これにより、セルを通過する光を測定する光検出器に信号が発生します。関連する電子回路はこの事実を利用して、外部磁場に対応する周波数で正確に信号を生成します。
セシウム磁力計のもう一つの方式は、セルに照射する光を変調するものです。これは、この効果を最初に研究した2人の科学者にちなんで、ベル・ブルーム磁力計と呼ばれています。地球の磁場に対応する周波数で光をオンオフすると、光検出器で観測される信号に変化が生じます。ここでも、関連する電子回路はこの変化を利用して、外部磁場に正確に対応する周波数の信号を生成します。どちらの方法も、高性能な磁力計を実現します。
カリウムは、不規則で複合的な広いスペクトル線を使用する他のアルカリ蒸気磁力計や、固有の広いスペクトル線を持つヘリウムとは対照的に、単一の狭い電子スピン共鳴（ESR）線で動作する唯一の光ポンピング磁力計である。[ 35 ]
プラズマ放電によって準安定三重項状態に励起されたヘリウム4に基づく磁力計は、 1960年代と1970年代にテキサス・インスツルメンツによって、その後そのスピンオフ企業であるポラトミックによって開発され[ 36 ]、1980年代後半からはCEA-Letiによって開発されました。後者は、原子磁力計の繰り返しの問題であるデッドゾーンをキャンセルする構成を先駆的に開発しました[ 37 ]。この構成は、軌道上での動作で50 pTの精度を示すことが実証されました 。ESAはこの技術を2013年に打ち上げられたSwarmミッションに採用しました。フラックスゲート磁力計に匹敵する実験的なベクトルモードがこのミッションでテストされ、全体的に成功しました[ 38 ] 。
セシウム磁力計とカリウム磁力計は、プロトン磁力計よりも高性能な磁力計が必要な場合に一般的に使用されます。考古学や地球物理学では、センサーが広範囲を走査し、高精度な磁場測定が頻繁に必要となるため、セシウム磁力計とカリウム磁力計はプロトン磁力計よりも優れています。
セシウム・カリウム磁力計は測定速度が速いため、一定数のデータポイントを取得するために、センサーをより迅速に測定領域内を移動させることができます。また、セシウム・カリウム磁力計は、測定中のセンサーの回転に対して影響を受けません。
セシウム磁力計とカリウム磁力計はノイズが少ないため、位置による磁場の変化をより正確に測定できる。
ベクトル磁力計は、磁場の1つまたは複数の成分を電子的に測定します。3つの直交する磁力計を使用することで、方位角と傾斜角（傾斜）の両方を測定できます。成分の二乗の合計の平方根を取ることで、ピタゴラスの定理により全磁場強度（全磁気強度、TMIとも呼ばれる）を計算できます。
ベクトル磁力計は、温度変化によるドリフトやフェライトコアの寸法不安定性の影響を受けやすい。また、全磁場（スカラー）測定器とは異なり、成分情報を得るためには水平調整が必要となる。これらの理由から、ベクトル磁力計は鉱物探査にはもはや使用されていない。
磁場は回転コイルに正弦波を誘起する。信号の振幅は、磁場が均一であれば磁場の強さに比例し、コイルの回転軸と磁力線との間の角度の正弦にも比例する。このタイプの磁力計は現在では旧式である。
最も一般的な磁気センシングデバイスは、固体ホール効果センサーです。これらのセンサーは、印加された磁場に比例した電圧を生成し、極性も検出します。これらは、磁場強度が比較的大きい用途、例えば自動車のアンチロックブレーキシステムなどで使用され、ホイールディスクのスロットを介してホイールの回転速度を検出します。
これらは、高透磁率のニッケル鉄合金であるパーマロイの薄いストリップでできており、その電気抵抗は磁場の変化に応じて変化します。感度軸が明確に定義されており、3Dバージョンで製造でき、集積回路として大量生産できます。応答時間は1マイクロ秒未満で、移動車両では最大1000回/秒のサンプリングが可能です。1°以内の精度で読み取れるコンパスに使用でき、そのためには基となるセンサーが0.1°を確実に分解する必要があります。[ 39 ]
フラックスゲート磁力計は、2つのコイルで巻かれた小さな磁化率の高いコアで構成されています。一方のコイルに交流電流を流すと、コアは磁化、非磁化、逆磁化、非磁化、磁化、といったように、交互に磁気飽和状態を繰り返します。この絶えず変化する磁場によって、もう一方のコイルに電圧が発生し、検出器で測定されます。磁気的に中性な環境では、入力信号と出力信号は一致します。しかし、コアが背景磁場にさらされると、その磁場に沿う方向には飽和しやすく、反対方向には飽和しにくくなります。そのため、交流磁場と誘導される出力電圧は、入力電流と同期しません。このずれの程度は、背景磁場の強さに依存します。多くの場合、出力コイルの信号は積分され、磁場に比例したアナログ出力電圧が得られます。
フラックスゲート磁力計は、1936 年に H. Aschenbrenner と G. Goubau によって発明されました。[ 34 ] [ 40 ] : 4ヴィクトル・ヴァキエ率いる湾岸研究所のチームは、第二次世界大戦中に潜水艦を探知するために航空機搭載型フラックスゲート磁力計を開発し、戦後には海底の磁気パターンの変化を測定するためにそれを使用してプレートテクトニクス理論を確認しました。 [ 41 ]
現在、磁場を測定するためにさまざまなセンサーが利用可能で使用されています。フラックスゲートコンパスとグラジオメーターは、磁場の方向と大きさを測定します。フラックスゲートは、手頃な価格で堅牢かつコンパクトであり、最近では小型化が進み、学術界[ 42 ]と産業界[ 43 ]の両方からの例を含め、ICチップの形で完全なセンサーソリューションが実現しています。これに加えて、一般的に消費電力が低いため、さまざまなセンシングアプリケーションに最適です。グラジオメーターは、考古学的探査や、ドイツ軍で人気の高いFoersterなどの不発弾（UXO）検出によく使用されます[ 44 ]。ユーティリティ位置特定専門家も、パイプラインバルブ、浄化槽、マンホールの蓋などの地下ユーティリティの位置を特定するためにグラジオメーターを使用します[ 45 ] 。
典型的なフラックスゲート磁力計は、内側の「駆動」（一次）コイルを囲む「検出」（二次）コイルで構成されており、駆動コイルはミューメタルやパーマロイなどの高透磁率のコア材料に密に巻かれています。駆動コイルに交流電流を流すと、コアは飽和と不飽和を繰り返す連続的なサイクルで駆動されます。外部磁場に対して、コアは透磁率が低い状態と高い状態を交互に示します。コアは、多くの場合、トロイダル状に巻かれたリング、または駆動コイルがそれぞれ反対方向に巻かれた一対の線状素子です。このような閉じた磁束経路により、駆動コイルと検出コイル間の結合が最小限に抑えられます。外部磁場が存在し、コアが高透磁率の状態にある場合、その磁場は検出コイルを通して局所的に引き寄せられ、ゲート制御されます（これがフラックスゲートという名前の由来です）。コアの透磁率が低い場合、外部磁場の引き寄せられる力は弱くなります。外部磁場をセンス巻線に連続的に流入・流出させることで、センス巻線に信号が発生する。この信号の基本周波数は駆動周波数の2倍であり、その強度と位相方向は外部磁場の大きさと極性に正比例して変化する。
結果として得られる信号の大きさに影響を与える要因は他にもあります。これらの要因には、検出巻線の巻数、コアの透磁率、センサの形状、および時間に対するゲート付き磁束変化率などが含まれます。
位相同期検出は、検出巻線からこれらの高調波信号を抽出し、外部磁場に比例する直流電圧に変換するために使用されます。アクティブ電流フィードバックも採用でき、検出巻線を駆動して外部磁場を打ち消します。このような場合、フィードバック電流は外部磁場に比例して変化し、測定の基準として使用されます。これにより、印加される外部磁場強度と検出巻線を通過する磁束との間の固有の非線形性を打ち消すことができます。
SQUID（超伝導量子干渉素子）は、磁場の極めて小さな変化を測定します。これらは非常に高感度なベクトル磁力計であり、市販の機器ではノイズレベルが3 fT⋅Hz −1/2 、実験用機器では0.4 fT⋅Hz −1/2と低くなっています。液体ヘリウム冷却式の市販SQUIDの多くは、直流（1 Hz未満 ）から数十キロヘルツまで平坦なノイズスペクトルを実現しており、このようなデバイスは時間領域の生体磁気信号測定に最適です。これまでに研究室で実証されたSERF原子磁力計（下記参照）は、比較的狭い周波数範囲ではありますが、同等のノイズフロアを実現しています。
SQUID磁力計は液体ヘリウムによる冷却を必要とする（4.2 K ）または液体窒素（SQUID 磁力計は、実験室サンプルによって生成される磁場を測定するために最も一般的に使用され、脳や心臓の活動（それぞれ脳磁図と心磁図）の測定にも使用されます。地球物理学的調査ではSQUIDが時折使用されますが、SQUIDの冷却に関するロジスティクスは、室温で動作する他の磁力計よりもはるかに複雑です。
原子ガスをベースとした磁力計は、原子コヒーレンスの減衰がラーモア周波数よりも速くなる低磁場領域で磁場のベクトル測定を実行できます。このような磁力計の物理はハンレ効果に基づいています。このようなゼロ磁場光ポンピング磁力計は、さまざまな構成で、特にアルカリ金属（カリウム、ルビジウム、セシウム）、ヘリウム、水銀などの異なる原子種でテストされています。アルカリ金属の場合、スピン交換緩和によりコヒーレンス時間が大幅に制限されていました。2000年代の初めに大きなブレークスルーが起こり、プリンストンのロマリスグループは、このような低磁場領域で、高温加熱によって十分な密度に達することができれば、アルカリ金属のコヒーレンス時間を大幅に向上させることができることを実証しました。これがいわゆるSERF効果です。
光ポンピング磁力計の主な関心は、極低温冷却が欠点となる用途においてSQUID磁力計を置き換えることです。これは特に医療画像処理の場合に当てはまり、このような冷却は厚い断熱層を生じさせ、記録される生体磁気信号の振幅に大きな影響を与えます。現在、いくつかのスタートアップ企業が生体医療用途向けの光ポンピング磁力計を開発しています。TwinLeaf [ 46 ] 、 quSpin [ 47 ]、FieldLine [ 48 ]のものはアルカリ蒸気をベースとしており、Mag4Healthのものは準安定ヘリウム4をベースとしています。[ 49 ]
原子密度が十分に高ければ、極めて高い感度が得られます。カリウム、セシウム、またはルビジウム蒸気を含むスピン交換緩和フリー（ SERF ）原子磁力計は、上述のセシウム磁力計と同様に動作しますが、1 fT⋅Hz − 1 ⁄ 2より低い感度に達することができます。SERF磁力計は、弱い磁場でのみ動作します。地球の磁場は約 50 μTですが、SERF磁力計は 0.5 μT 未満の磁場で動作します。
大容量検出器は 200 aT⋅Hz − 1 ⁄ 2の感度を達成しています。[ 50 ]この技術は、SQUID 検出器よりも単位体積あたりの感度が高いです。[ 51 ]また、この技術は、将来的に無線周波数磁場を検出するコイルに取って代わる可能性のある非常に小さな磁力計も製造できます。この技術は、すべての入力信号と出力信号が光ファイバーケーブル上の光の形で存在する磁気センサーを製造する可能性があります。[ 52 ]これにより、高電圧の近くで磁気測定を行うことができます。
磁力計の校正は通常、電流を流して磁場を生成するコイルを使用して行われます。これにより、磁力計の感度（V/T の単位）を決定できます。多くの用途では、校正コイルの均一性が重要な特徴となります。このため、ヘルムホルツコイルなどのコイルが、単軸または 3 軸構成で一般的に使用されます。要求の厳しい用途では、高均一な磁場が必須です。このような場合、磁場校正は、マクスウェルコイル、コサインコイル[ 53 ] 、または非常に均一な地球の磁場での校正を使用して実行できます。
磁力計は、潜水艦、沈没船、トンネル掘削機に影響を与える危険物、炭鉱の危険物、不発弾、有毒廃棄物ドラム缶などの物体の位置特定、およびさまざまな鉱床や地質構造の特定など、非常に多様な用途があります。また、心拍モニター、隠し武器の検出、[ 54 ]軍事兵器システムの位置決め、アンチロックブレーキのセンサー、天気予報（太陽周期による）、鋼鉄製の鉄塔、ドリル誘導システム、考古学、プレートテクトニクス、電波伝搬、惑星探査にも応用されています。実験室用磁力計は、通常、温度、磁場、またはその他のパラメータの関数として、磁性サンプルの磁気双極子モーメントを決定します。これにより、強磁性、反強磁性、超伝導、または磁性に影響を与えるその他の特性などの磁気特性を明らかにすることができます。
用途に応じて、磁力計は宇宙船、飛行機（固定翼磁力計）、ヘリコプター（スティンガーおよびバード）、地上（バックパック）、四輪バギー（ATV）の後ろに牽引（そりまたはトレーラー）、掘削孔に降ろす（ツール、プローブ、またはゾンデ）、またはボートの後ろに牽引する（曳航魚）など、様々な方法で展開できます。
磁力計は、強磁性材料の機械的応力を測定または監視するために使用されます。機械的応力は、微視的なスケールで磁気ドメインの整列を改善し、磁力計によって材料の近くで測定される磁場を上昇させます。応力と磁化の関係についてはさまざまな仮説があります。しかし、試料の近くで測定される磁場に対する機械的応力の影響は、多くの科学論文で証明されていると主張されています。測定された磁場に基づいて応力を定量化するために、磁化と応力の分解の逆問題を解決しようとする試みがありました。[ 55 ] [ 56 ]
磁力計は、実験的な素粒子物理学において、集束磁石や集束ビーム磁石といった重要な構成要素の磁場を測定するために広く用いられている。
磁力計は、遺跡、難破船、その他の埋没物や水没物の探知にも使用されます。フラックスゲート式グラジオメーターは、コンパクトな構造と比較的低コストであることから人気があります。グラジオメーターは浅い地形の特徴を強調し、基地局を不要にします。セシウム磁力計やオーバーハウザー磁力計も、グラジオメーターとして、あるいは基地局を備えた単一センサーシステムとして使用する場合に非常に効果的です。
テレビ番組「タイムチーム」は、考古学調査で炉跡、焼きレンガの壁、玄武岩や花崗岩などの磁性石を検出するために用いられる磁気探査技術を含む「地球物理学」を普及させた。ハンガリー大平原のように、磁性土壌の圧縮差や粘土層の乱れを利用して、歩行路や道路を地図化できる場合もある。耕作地は、このような調査において磁気ノイズ源として機能する。
磁力計は、オーロラの光が見えるようになる前にオーロラ活動の兆候を示すことができる。世界中に設置された磁力計のグリッドは、太陽風が地球の磁場に及ぼす影響を常に測定しており、その結果はK指数として公表されている。[ 57 ]
磁力計は地域規模での盆地の形状をマッピングするのに役立ちますが、より一般的には、資源を破壊し、長壁式採掘設備に危険を及ぼす玄武岩貫入岩体（岩脈、岩床、火山岩栓）などの石炭採掘における危険箇所をマッピングするために使用されます。磁力計は、落雷によって発火したゾーンを特定したり、菱鉄鉱（石炭中の不純物）をマッピングしたりすることもできます。
地上での高解像度調査（ 測線間隔約10m、測点間隔約0.5m）は、最良の調査結果をもたらします。フェレットを用いたボーリング孔磁力計は、石炭層が深い場合、複数の岩床を利用したり、地表の玄武岩溶岩流の下を調べたりすることで、調査に役立ちます。
現代の調査では一般的に、GPS技術を備えた磁力計を使用して磁場と位置を自動的に記録します。その後、データセットは、静止したままの2番目の磁力計（ベースステーション）からのデータで補正され、調査中に地球の磁場の変化が記録されます。[ 58 ]
磁力計は、石油やガスの方向掘削において、ドリル付近の掘削ツールの方位角を検出するために使用されます。 [ 59 ]多くの場合、掘削ツール内の加速度計と組み合わせて使用され、ドリルの傾斜角と方位角の両方を検出できます。 [ 59 ]
防衛目的で、海軍は戦略的な場所（港湾周辺など）の海底に磁力計アレイを設置し、潜水艦の活動を監視している。ロシアのアルファ級チタン潜水艦は、そのようなシステムを無力化するために（純チタンは非磁性であるため）、多額の費用をかけて設計・建造された。[ 60 ]
軍用潜水艦は、海底監視システム、磁気異常探知機、磁気起爆式機雷による探知を回避するため、一定間隔で大型の水中ループを通過することで消磁される。しかし、潜水艦は完全に消磁されることはない。潜水艦の磁場を測定することで、潜水艦がどの深度にいたかを知ることができる。磁場は、水圧によって船体が歪み、それに伴って歪むためである。また、加熱によって鋼鉄の磁化が変化することもある。
潜水艦は、船舶を探知するために長いソナーアレイを曳航し、プロペラの音の違いさえも識別できる。ソナーアレイは、目標物（例えば船舶）への方向を三角測量できるように、正確に位置決めする必要がある。アレイは直線状に曳航されないため、フラックスゲート磁力計を用いてアレイ内の各ソナーノードの向きを調整する。
フラックスゲートは兵器の航法システムにも使用できるが、GPSやリングレーザージャイロスコープにほぼ取って代わられている。
ドイツ製のフェルスター磁力計などは、鉄製の兵器の位置特定に用いられる。セシウム磁力計やオーバーハウザー磁力計は、古い爆撃場や試験場の位置特定や清掃に用いられる。
UAVの搭載物には、さまざまな防御および攻撃任務のための磁力計も含まれている。
磁気探査は、鉱石を示す磁気異常（直接検出）を特定するのに役立ち、場合によっては鉱床に関連する脈石鉱物（間接的または推論的検出）を特定するのにも役立ちます。これには、鉄鉱石、磁鉄鉱、赤鉄鉱、そして多くの場合、硫化鉄鉱が含まれます。
オーストラリア、カナダ、米国などの先進国は、地図地質学や鉱床の発見を支援するため、それぞれの大陸および周辺海洋の体系的な航空磁気探査に多額の投資を行っています。このような航空磁気探査は通常、高度 100mで400mのライン間隔で実施され 、10m以上の間隔で測定が行われます。データ密度の非対称性を克服するために、データはライン間で補間され（通常5回）、ラインに沿ったデータが平均化されます。このようなデータは80m ×80mの ピクセルサイズにグリッド化され、ERMapperなどのプログラムを使用して画像処理されます。探査リース規模では、地形が許せば、より詳細なヘリコプター磁気探査や、高度50mで 50mのライン間隔で飛行する農薬散布機のような固定翼機による探査が続く場合があります。このような画像は10m ×10mのピクセル にグリッド化され、64倍の解像度が得られます。
ターゲットが浅い場合（200m未満 ） 、航空磁気異常は、 10mから50mの ライン間隔、1mの ステーション間隔で地上磁気調査を実施することで、最も詳細な情報（2mから10mの ピクセルグリッド）（または掘削前の25倍の解像度）を得ることができます。
鉱石などの磁性体から発生する磁場は、距離の3乗に反比例して減衰します（双極子ターゲットの場合）。せいぜい距離の2乗に反比例する程度です（磁気単極子ターゲットの場合）。距離による分解能の変化を例えるなら、夜間にライトを点灯して走る車が挙げられます。400m離れたところでは、 ぼんやりと光るかすみが1つ見えるだけですが、近づくにつれて、2つのヘッドライト、そして左側のウインカーが見えるようになります。
鉱物探査における磁気データの解釈には多くの課題がある。複数のターゲットは、複数の熱源のように混ざり合い、光とは異なり、磁場を集中させるための磁気望遠鏡は存在しない。複数の発生源の組み合わせは地表で測定される。ターゲットの形状、深さ、磁化方向（残留磁化）も一般的に不明であるため、複数のモデルでデータを説明する必要がある。
地球物理ソフトウェアソリューションによる強力なソリューションは、オーストラリアの探査業界で広く使用されている、主要な磁気（および重力）解析パッケージです。
磁力計は、鉱物探査において、直接的（例えば、磁鉄鉱に伴う金鉱化作用、キンバーライトパイプ内のダイヤモンドなど）にも、より一般的には間接的（例えば、鉱化作用に適した地質構造（例えば、花崗岩周辺の剪断帯や変質帯など）をマッピングすることによって）にも役立ちます。
航空機搭載型磁力計は、航空機に取り付けられた「スティンガー」と呼ばれるセンサー、またはケーブルの先端に磁力計を曳航することで、地球の磁場の変化を検出します。ケーブルに取り付けられた磁力計は、その形状から「爆弾」と呼ばれることもあります。また、「鳥」と呼ぶ人もいます。
航空機の下の丘や谷によって磁気高度が上下するため、レーダー高度計はトランスデューサーの地上からの公称高度からのずれを記録します。地上を撮影するカメラが搭載されている場合もあります。測定位置は、GPSデータも記録することで特定されます。
多くのスマートフォンには、磁場強度を検出するために使用され、コンパスとしても使用される小型のマイクロ電気機械システム（MEMS）磁力計が搭載されています。iPhone 3GSには、ハネウェル社製の磁気抵抗パーマロイセンサーAN-203という磁力計が搭載されています。[ 61 ] 2009年には、3軸磁力計の価格は1台あたり1米ドルを下回り、急速に下落しました。3軸デバイスを使用すると、向きや高さの保持方法に影響されないという利点があります。ホール効果デバイスも人気があります。[ 62 ]
ドイツテレコムの研究者たちは、モバイルデバイスに組み込まれた磁力計を使用して、非接触の3Dインタラクションを可能にした。MagiTactと呼ばれる彼らのインタラクションフレームワークは、携帯電話の周囲の磁場の変化を追跡して、磁石を持ったり身につけたりした手が行うさまざまなジェスチャーを識別する。[ 63 ]
地震探査法は、石油探査の主要な調査方法として磁力計よりも好まれているが、磁気探査法は、地質構造に関する追加情報や、一部の環境ではトラップからの漏洩の証拠を提供することができる。[ 64 ]磁力計は、掘削を非現実的なものにする地質構造の位置や、地質物理学者に層序のより完全なイメージを与えるその他の特徴を示すためにも石油探査で使用される。
3軸フラックスゲート磁力計は、マリナー2号とマリナー10号のミッションの一部でした。[ 65 ]デュアルテクニック磁力計は、土星探査のためのカッシーニ・ホイヘンスミッションの一部です。[ 66 ]このシステムは、ベクトルヘリウム磁力計とフラックスゲート磁力計で構成されています。[ 67 ]磁力計は、マーキュリーMESSENGERミッションの構成機器でもありました。磁力計は、 GOESのような衛星によって、惑星や衛星の磁場の大きさと方向の両方を測定するためにも使用できます。
体系的な調査は、鉱床の探索や紛失物の捜索に利用できます。このような調査は以下のように分類されます。
オーストラリア向けの航空磁気データセットは、GADDSデータベースからダウンロードできます。
データは、位置情報データと画像データに分けられ、後者はERMapper形式である。
空間的に測定された磁場パラメータ（振幅や方向など）の分布に基づいて、磁気画像を生成することができる。このような磁気データの表示は、さらなる分析やデータ融合に非常に有用である。
磁気勾配計は、センサーが通常水平方向に一定の距離だけ離れた一対の磁力計で構成されています。検出された磁場の差を測定するために、それぞれの測定値を差し引きます。これにより、磁気異常によって生じる磁場勾配が算出されます。これは、地球磁場の時間的変動とその他の電磁干渉源の両方を補償する一つの方法であり、異常をより高感度に検出することを可能にします。ほぼ等しい値を差し引くため、磁力計に求められるノイズ性能はより厳しくなります。
グラジオメーターは浅い磁気異常を強調するため、考古学調査や遺跡調査に適しています。また、不発弾（UXO）の位置特定など、リアルタイムでの作業にも適しています。基地局を設置し、2台（またはそれ以上）の移動式センサーを使用して平行線を同時に読み取ることで、効率が2倍になります（データが保存され、後処理されることを前提としています）。この方法により、線に沿った勾配と線を横切る勾配の両方を計算できます。
従来の鉱物探査や考古学調査では、測量区域を定めるために、セオドライトと巻尺で設置したグリッド杭が用いられた。不発弾調査の中には、ロープを使って調査区間を区切るものもあった。航空測量では、サイレダスなどの無線三角測量ビーコンが使用された。
磁力計を作動させるために、非磁性の電子式ヒップチェーントリガーが開発された。これらは回転軸エンコーダを使用して、使い捨ての綿糸巻きに沿った距離を測定した。
現代の探検家は、リアルタイムキネマティックGPSを含む、低磁気特性のGPS装置を幅広く使用している。
磁気探査は、さまざまな発生源からのノイズの影響を受ける可能性がある。異なる磁力計技術は、それぞれ異なる種類のノイズ問題を抱えている。
方位誤差はノイズの一種です。方位誤差は主に3つの原因から発生します。
全磁場センサーの中には、向きによって異なる測定値を示すものがあります。この誤差の主な原因は、センサー自体に含まれる磁性材料です。蒸気磁力計（セシウム、カリウムなど）のような一部の磁力計では、物理法則に基づく方位誤差も存在し、それが全体の方位誤差にわずかに影響を与えます。
コンソールのノイズは、コンソール本体上または内部の磁気部品から発生します。これには、インダクタやトランスのコアに含まれるフェライト、液晶ディスプレイを囲むスチールフレーム、ICチップのリード線、使い捨て電池のスチールケースなどが含まれます。また、一般的な軍用規格コネクタの中には、スチール製のバネを使用しているものもあります。
調査員は磁気的に清潔な状態を保つよう注意し、調査中に着用するすべての衣類や持ち物の「磁気衛生状態」を確認する必要があります。オーストラリアではアクーブラ帽が非常に人気ですが、磁気調査で使用する前にスチール製のつばを取り外さなければなりません。メモ帳のスチールリング、スチール製のつま先が付いたブーツ、作業服のハトメにあるスチール製のバネなどは、調査中に不要なノイズの原因となる可能性があります。ペン、携帯電話、ステンレス製のインプラントなども問題となる場合があります。
オペレーターやコンソール上の鉄製物体からの磁気応答（ノイズ）は、誘導と残留磁化の影響により、進行方向によって変化する可能性があります。航空磁気探査機や四輪バギーシステムでは、進行方向誤差ノイズを補正するための特殊な補償器を使用できます。
測量画像では、方位誤差はヘリンボーン模様のように見える。交互の測線も波打つことがある。
データ記録と画像処理は、リアルタイム作業よりも優れています。なぜなら、オペレーターが見落としがちな微妙な異常（特に磁気ノイズの多い領域）を、より明確に定義された線、形状、クラスター間で相関させることができるからです。また、さまざまな高度な強調技術も使用できます。さらに、ハードコピーの作成と体系的な調査の必要性も存在します。
磁力計航法（MAGNAV）アルゴリズムは、2004年に飛行実験として初めて実行されました。[ 68 ]その後、敵による妨害を受けないより優れた航法方法として、米国空軍研究所（AFRL）によってダイヤモンド磁力計が開発されました。[ 69 ]
磁力計は、脳内の電流によって生成される微弱な神経磁場を記録する技術である脳磁図（MEG）で使用されます。既存のMEGシステムは極低温冷却SQUID磁力計を使用していますが、新しいOPMセンサーは室温または室温付近で動作し、被験者の頭皮から数ミリメートル以内に配置できるため、信号強度が向上し、動きに対する耐性が高まったウェアラブルシステムが可能になります。OPM-MEGは、統合失調症、アルツハイマー病、パーキンソン病、ジストニア、自閉症、ADHD、てんかんの患者の脳活動を測定するために使用されています。[ 70 ]