磁力計

磁力計は、磁場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が、特定の場所における磁場の方向、強度、または相対的な変化を測定します。コンパスはそのような装置の 1 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、たとえば、この磁気双極子がコイルの誘導電流に 与える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。

空間の一点における絶対的な磁気の強度を測定できる最初の磁力計は、1833 年にカール・フリードリヒ・ガウスによって発明されました。19 世紀の注目すべき進歩には、現在でも広く使用されているホール効果が含まれます。

磁力計は、地球の磁場の測定、地質調査、さまざまな種類の磁気異常の検出、磁性体の双極子モーメントの測定に広く使用されています。航空機の姿勢および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、磁気計は、潜水艦を検出するための磁気機雷の起動メカニズムとして軍隊で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、より感度の高い磁力計を軍事技術として分類し、その配布を規制しています。

磁力計は金属探知機として使用できます。磁性金属（鉄金属）のみを検出できますが、導電性に頼る従来の金属探知機よりもはるかに遠くからそのような金属を検出できます。磁力計は、車などの大きな物体を 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範囲は 2 メートル（6 フィート 7 インチ）を超えることはほとんどありません。

近年、磁力計は極めて低コストで集積回路に組み込めるほど小型化が進み、小型コンパス（ MEMS磁場センサー） としての利用が増えています。

磁場は、強さと方向の両方で特徴付けられるベクトル量です。磁場の強さは、SI単位ではテスラ単位で、CGS単位系ではガウス単位で測定されます。10,000ガウスは1テスラに相当します。^[1]地球の磁場の測定値は、ガンマとも呼ばれるナノテスラ（nT）単位で引用されることがよくあります。^[2]地球の磁場は場所によって20,000～80,000 nTの範囲で変化し、地球の磁場の変動は100 nTのオーダーで、磁気異常による磁場の変動はピコテスラ（pT）の範囲になることがあります。^[3]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単位で測定する磁力計です。いくつかの文脈では、磁力計は1ミリテスラ（mT）未満の磁場を測定する機器を指す用語として使用され、ガウスメーターは1mTを超える磁場を測定する機器に使用されます。^[1]

磁力計の測定には、2 つの基本的なタイプがあります。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、ベクトル磁場の強度を測定します。^[4]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的北の間の角度) と傾斜(磁場ベクトルと水平面の間の角度) で表します。^[5]

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。 ^[6] 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、磁場の変化を測定するために使用されます。

磁力計は、その使用状況や用途によっても分類できます。固定式磁力計は固定位置に設置され、磁力計が固定されている間に測定が行われます。^[4] ポータブルまたはモバイル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、移動車両で輸送したりできます。研究室用磁力計は、その中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。INTERMAGNETネットワークのように固定された基地局の場合もあれば、地理的領域をスキャンするために使用されるモバイル磁力計 の場合もあります。

磁力計の性能と機能は技術仕様で説明されている。主な仕様には^{[1] [3]がある。}

• サンプル レートは、1 秒あたりの読み取り回数です。その逆数は、読み取り 1 回あたりのサイクル時間(秒) です。サンプル レートはモバイル磁気計にとって重要であり、サンプル レートと車両速度によって測定間の距離が決まります。
• 帯域幅またはバンドパスは、磁力計が磁場の急激な変化をどれだけ正確に追跡できるかを表します。オンボード信号処理のない磁力計の場合、帯域幅はサンプル レートによって設定されるナイキスト限界によって決まります。最新の磁力計は、連続サンプルに対して平滑化または平均化を実行し、帯域幅を低くする代わりにノイズを低減します。
• 分解能とは、磁力計が検出できる磁場の最小の変化のことです。磁力計の分解能は、観測したい最小の変化よりはるかに小さくなければなりません。これには、データのデジタル表現の記録の丸めや切り捨てによって生じる量子化誤差が含まれます。
• 絶対誤差は、磁力計の真の磁場の読み取り値間の差です。
• ドリフトとは、時間の経過に伴う絶対誤差の変化です。
• 熱安定性は、測定値が温度に依存することを意味します。これは、摂氏 1 度あたりの nT 単位の温度係数として表されます。
• ノイズは、磁力計センサーまたは電子機器によって生成されるランダムな変動です。ノイズは の単位で表され、周波​​数成分は帯域幅を表します。${\displaystyle {\rm {{nT}/{\sqrt {\rm {Hz}}}}}}$
• 感度はノイズと解像度のどちらか大きい方になります。
• 方位誤差とは、一定の磁場内での計器の向きの変化によって生じる測定値の変化です。
• デッドゾーンとは、磁力計の方向の角度領域で、機器が測定結果の品質を低下させたり、まったく測定結果を生成しない領域です。光ポンピング式、プロトンフリー歳差運動式、オーバーハウザー式磁力計はすべて、デッド ゾーン効果をある程度受けます。
• 勾配許容度とは、磁場勾配が存在する状況で磁力計が信頼性の高い測定を行える能力のことです。不発弾や埋立地の調査では、勾配が大きくなることがあります。

コンパスは、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タイプの磁力計です。磁化された針の振動周波数は、周囲の磁場の強度の平方根に比例します。したがって、たとえば、水平に配置されたコンパスの針の振動周波数は、周囲の磁場の水平方向の強度の平方根に比例します。^{[引用が必要]}

1833年、ゲッティンゲンの地磁気観測所長カール・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ました。 ^{[7]論文では、}金の繊維から水平に吊り下げられた永久磁石棒からなる新しい機器について説明されていました。棒が磁化されたときと消磁されたときの振動の差から、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ました。^[8]

磁束密度のCGS単位であるガウスは彼にちなんで名付けられ、1平方センチメートルあたり1マクスウェルと定義され、1×10 ⁻⁴テスラ（SI単位系）に相当します。^[9 ]

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気記録装置を発明した。これは磁石の動きを写真で連続的に記録するもので、観測者の負担を軽減した。^{[10]これは}エドワード・サビンらによる地球規模の磁気調査ですぐに利用され、改良された機械は20世紀に入っても使われ続けた。^{[11] [12]}

研究室用磁力計は、サンプル材料の磁化、つまり磁気モーメントを測定します。調査用磁力計とは異なり、研究室用磁力計ではサンプルを磁力計内に置く必要があり、サンプルの温度、磁場、その他のパラメータを制御できる場合が多くあります。サンプルの磁化は、主にその原子内の不対電子の配列に依存し、核磁気モーメント、ラーモア反磁性などによる影響はわずかです。磁気モーメントの配列は、主に反磁性、常磁性、強磁性、または反強磁性に分類されます(ただし、磁気配列の分類には、強磁性、螺旋磁性、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と、磁気配列のタイプ、および臨界温度または磁場で発生する異なるタイプの磁気配列間の相転移に関する手がかりが得られます。このタイプの磁気測定は、物理学、化学、地球物理学、地質学、そして時には生物学における物質の磁気特性を理解するために非常に重要です。

SQUID は、調査用および実験用磁力計として使用される磁力計の一種です。SQUID 磁力測定法は、極めて感度の高い絶対磁力測定技術です。ただし、SQUID はノイズに敏感であるため、高 DC 磁場やパルス磁石内での実験用磁力計としては実用的ではありません。市販の SQUID 磁力計は、サンプル温度 300 mK から 400 K、磁場 7 テスラまで使用できます。

誘導ピックアップコイル (誘導センサーとも呼ばれる) は、サンプルの磁気モーメントの変化によってコイルに誘導される電流を検出することで、材料の磁気双極子モーメントを測定します。サンプルの磁化は、コンデンサ駆動パルス磁石で発生するような小さな交流磁場 (または急速に変化する直流磁場) を印加することで変更できます。これらの測定では、サンプルによって生成される磁場と外部印加磁場からの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別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は一方向に巻き、もう半分は反対方向に巻き、サンプルは片方の半分にのみ配置します。外部の均一な磁場はコイルの両半分で検出され、コイルの巻き方が逆になっているため、外部磁場は正味の信号を生成しません。

振動サンプル磁力計(VSM) は、誘導ピックアップ コイル内または SQUID コイル内でサンプルを機械的に振動させることにより、サンプルの双極子モーメントを検出します。コイル内の誘導電流または変化する磁束を測定します。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 磁気測定法よりも感度が 1 桁ほど低くなります。VSM を SQUID と組み合わせると、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。サンプルの振動による熱により、VSM のベース温度が通常 2 ケルビンに制限されます。また、VSM は急速な加速に敏感な壊れやすいサンプルの測定には適していません。

パルス磁場抽出磁気測定法は、ピックアップ コイルを使用して磁化を測定する別の方法です。サンプルを物理的に振動させる VSM とは異なり、パルス磁場抽出磁気測定法では、サンプルは固定され、外部磁場はコンデンサ駆動磁石などで急速に変化します。次に、サンプルによって生成される磁場から外部磁場をキャンセルするために、複数の手法の 1 つを使用する必要があります。これには、サンプルをコイルから取り除いた状態で外部の均一磁場とバックグラウンド測定をキャンセルする逆巻きコイルが含まれます。

磁気トルク磁気測定法は、SQUID 磁気測定法よりもさらに感度が高い場合があります。ただし、磁気トルク磁気測定法は、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。代わりに、磁気トルク磁気測定法では、均一な磁場 B の結果としてサンプルの磁気モーメント μ に作用するトルク τ を測定します (τ = μ × B)。したがって、トルクはサンプルの磁気異方性または形状異方性の尺度です。場合によっては、測定されたトルクからサンプルの磁化を抽出できます。他の場合には、磁気トルク測定は、磁気相転移または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、サンプル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の測定、またはカンチレバーの表面からの 光干渉法によって変位を測定することです。

ファラデー力磁気測定法は、空間磁場勾配が磁化された物体に作用する力 F = (M⋅∇)B を生成するという事実を利用します。ファラデー力磁気測定法では、サンプルにかかる力は、秤 (サンプルを高感度天秤に吊るす) で測定するか、バネに対する変位を検出することで測定できます。一般的には、感度、サイズ、機械部品がないため、容量性ロードセルまたはカンチレバーが使用されます。ファラデー力磁気測定法は、SQUID よりも感度が約 1 桁低くなります。ファラデー力磁気測定法の最大の欠点は、磁場を生成するだけでなく、磁場勾配を生成する手段も必要になることです。これは、特殊な磁極面のセット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ことで、はるかに優れた結果を得ることができます。ファラデー力磁気測定法の主な利点は、小型でノイズに対する耐性が適度にあるため、希釈冷凍機を含むさまざまな環境で実装できることです。ファラデー力磁気測定は、トルクの存在によっても複雑になることがあります (前の手法を参照)。これは、印加された DC 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したり、サンプルが回転しないようにファラデー力磁力計を設計したりすることで回避できます。

光磁気測定法では、さまざまな光学技術を利用して磁化を測定します。そのような技術の 1 つであるカー磁気測定法では、磁気光学カー効果(MOKE) を利用します。この技術では、入射光がサンプルの表面に向けられます。光は磁化された表面と非線形に相互作用するため、反射光は楕円偏光になり、検出器で測定されます。光磁気測定法のもう 1 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では、非線形磁気光学回転を利用してサンプルの磁化を測定します。この方法では、測定するサンプルにファラデー変調薄膜を適用し、反射光の偏光を感知するカメラで一連の画像を撮影します。ノイズを減らすために、複数の画像を平均化します。この方法の利点の 1 つは、サンプルの表面の磁気特性をマッピングできることです。これは、超伝導体に対するマイスナー効果などを研究するときに特に役立ちます。微細加工された光ポンピング磁力計（μOPM）は、現在利用可能な超伝導量子干渉装置（SQUIDとしてよく知られている）よりも、より正確に脳発作の原因を検出し、より少ない熱を発生するのに使用できます。^[13]この装置は、偏光を使用し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ために使用できます。^[14]

調査用磁力計は、基本的に次の 2 つのタイプに分けられます。

• スカラー磁力計は、その磁場の強さを計測しますが、その方向は計測しません。
• ベクトル磁力計は、デバイスの空間方向を基準として、特定の方向の磁場の成分を測定する機能を備えています

ベクトルは、大きさと方向の両方を持つ数学的実体です。特定の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、ベクトル磁力計は磁場全体の大きさと方向の両方を測定します。3 つの次元すべてで磁場の成分を測定するには、3 つの直交センサーが必要です。

また、磁場の強度が自身の既知の内部定数から較正できる場合は「絶対的」と評価され、既知の磁場を参照して較正する必要がある場合は「相対的」と評価されます。

マグネトグラフは、時間の経過に伴って継続的にデータを記録する磁力計です。このデータは通常、マグネトグラムで表されます。^[15]

磁力計は、時間とともに比較的急速に変化する磁場 (>100 Hz) を測定する場合は「AC」、ゆっくりとしか変化しない磁場 (準静的) または静的な磁場を測定する場合は「DC」に分類することもできます。AC 磁力計は電磁システム (マグネトテルリックなど) で使用され、DC 磁力計は鉱化とそれに対応する地質構造を検出するために使用されます。

陽子歳差磁力計（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、測定対象の磁場内の陽子（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度のみに依存するため、このタイプの磁力計の精度は1 ppmに達します。^[16]

ソレノイドに流れる直流電流は、水素を多く含む流体（灯油やデカンが一般的ですが、水でも使用できます）の周囲に強力な磁場を作り出し、一部の陽子をその磁場に沿わせます。その後、電流が遮断され、陽子が周囲の磁場に沿うように再調整されると、磁場に正比例する周波数で歳差運動します。これにより、弱い回転磁場が生成され、それが（場合によっては別の）インダクタによって拾われ、電子的に増幅されてデジタル周波数カウンタに送られます。デジタル周波数カウンタの出力は通常、スケーリングされて磁場の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/バックパックで運ばれるユニットの場合、PPM サンプル 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、約 10 メートル間隔で固定された位置にセンサーを保持して行われます。

ポータブル機器は、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の場合、オーバーハウザー磁力計は 10,000 nT/m を、セシウム磁力計は 30,000 nT/m を処理できます。

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。市場を支配しているのは、GEM Systems、Geometrics、Scintrex の 3 つのメーカーです。人気のモデルには、G-856/857、Smartmag、GSM-18、GSM-19T などがあります。

鉱物探査では、オーバーハウザー、セシウム、カリウムの計測器がこれらに取って代わりました。これらはすべて高速サイクルで、オペレーターが読み取りの合間に一時停止する必要がありません。

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効果を使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することができます。ソレノイドを使用して陽子を整列させるのではなく、低電力の無線周波数場を使用してフリーラジカルの電子スピンを整列（分極）させ、オーバーハウザー効果を介して陽子に結合します。これには、2 つの主な利点があります。RF フィールドの駆動に必要なエネルギーはごくわずかで済むため（ポータブル ユニットのバッテリーを軽量化できます）、測定中でも電子と陽子の結合を行うことができるため、サンプリングが高速になります。オーバーハウザー磁力計は、1 秒に 1 回のサンプリングで、標準偏差 0.01 nT ～ 0.02 nT の読み取り値を生成します。

光ポンピングセシウム蒸気磁力計は、幅広い用途で使用される高感度（300 fT/Hz ^{0.5 ）で正確な装置です。これは、この目的で使用されるいくつかのアルカリ蒸気（}ルビジウムやカリウムを含む）の1つです。^[17]

この装置は、レーザーなどの光子放出器、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、および光子検出器が、この順序で配置されて構成されます。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減らすために使用されます。

この装置を作動させる基本原理は、セシウム原子が 9 つのエネルギー レベルのいずれかに存在できるという事実です。これは、原子核の周りの電子 原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落ちます。セシウム原子は、9 つ​​のエネルギー状態のうち 3 つのエネルギー状態でレーザーからの光子に「敏感」であるため、閉鎖系を想定すると、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落ちます。セシウム蒸気は透明になっています。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発生します。

この時点で、サンプル (または集団) は光ポンピングされ、測定の準備が整った状態になります。外部磁場を適用すると、この状態が乱され、原子が別の状態に移動し、蒸気の透明度が低下します。光検出器はこの変化を測定できるため、磁場の強さを測定できます。

最も一般的なタイプのセシウム磁力計では、非常に小さな交流磁場がセルに適用されます。電子のエネルギー レベルの差は外部磁場によって決まるため、この小さな交流磁場によって電子の状態が変化する周波数があります。この新しい状態で、電子は再び光子を吸収できます。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生成されます。関連する電子機器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。

セシウム磁力計の別のタイプは、セルに照射される光を変調します。これは、この効果を最初に調査した 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。光が地球の磁場に対応する周波数でオンとオフを切り替えると、^{[説明が必要]}光検出器で見られる信号に変化が生じます。この場合も、関連する電子機器がこれを使用して、外部磁場に対応する周波数で正確に信号を生成します。どちらの方法も、高性能の磁力計につながります。

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、本質的に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プ磁力計です。^[18]

プラズマ放電により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年代から70年代にかけてテキサスインスツルメンツ社によって開発され、その後そのスピンオフ企業であるポラトミック社によって開発され、^[19] 1980年代後半からはCEA-Leti社によって開発されました。後者は、原子磁力計の繰り返し問題であるデッドゾーン^[20]をキャンセルする構成を開拓しました。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、2013年に打ち上げられたSwarmミッションにこの技術を選択しました。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。^[21]

セシウム磁力計とカリウム磁力計は、通常、プロトン磁力計よりも高性能な磁力計が必要な場合に使用されます。考古学や地球物理学では、センサーがエリア全体をスキャンし、多くの正確な磁場測定が必要になることが多いため、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。

セシウムおよびカリウム磁力計の測定速度が速いため、特定の数のデータ ポイントに対してセンサーをより速くエリア内を移動できます。セシウムおよびカリウム磁力計は、測定中にセンサーが回転しても影響を受けません。

セシウム磁力計とカリウム磁力計のノイズが低いため、測定によって位置による磁場の変化をより正確に示すことができます。

ベクトル磁力計は、磁場の 1 つ以上の成分を電子的に測定します。3 つの直交磁力計を使用すると、方位角と傾斜角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と、ピタゴラスの定理によって全磁場強度 (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ます。また、全磁場（スカラー）計器とは異なり、コンポーネント情報を取得するには水平調整が必要です。これらの理由から、鉱物探査には使用されなくなりました。

磁場は回転コイルに正弦波を誘導します。信号の振幅は、磁場が均一であれば磁場の強さと、コイルの回転軸と磁場線の間の角度の正弦に比例します。このタイプの磁力計は時代遅れです。

最も一般的な磁気感知デバイスは、ソリッドステート 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、極性も感知します。これらは、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感知する自動車のアンチロック ブレーキ システムなど、磁場の強度が比較的大きいアプリケーションで使用されます。

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作られており、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、移動中の車両で最大1,000回/秒のサンプリングが可能です。基礎となるセンサーは0.1°を確実に分解能する必要があるため、1°以内の読み取りが可能なコンパスに使用できます。^[22]

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気感受性コアで構成されています。交流電流が 1 つのコイルに流され、コアを交互に磁気飽和サイクル(磁化、非磁化、逆磁化、非磁化、磁化など) に通します。この絶えず変化する磁場によって 2 番目のコイルに電圧が誘導され、検出器で測定されます。磁気的に中性な背景では、入力信号と出力信号は一致します。ただし、コアが背景磁場にさらされると、その磁場と一致すると飽和しやすくなり、反対の磁場と一致すると飽和しにくくなります。したがって、交流磁場と誘導出力電圧は入力電流と一致しません。このずれの程度は、背景磁場の強さによって異なります。多くの場合、出力コイルの信号が統合され、磁場に比例したアナログ電圧が出力されます。

フラックスゲート磁力計は、1936年にH.アシェンブレンナーとG.グーバウによって発明されました。^{[23] [ 24] : 4}ヴィクター・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、戦後は海底の磁気パターンの変化を測定することでプレートテクトニクスの理論を裏付けました。 ^[25]

現在、磁場の測定にはさまざまなセンサーが利用されています。フラックスゲートコンパスとグラディオメーターは、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頑丈でコンパクトであり、最近では小型化が進み、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。これには学界^[26]と産業界の両方からの例があります。^[27]これに加えて、通常は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。グラディオメーターは、考古学的な探査や、ドイツ軍の人気のFoersterなどの不発弾（UXO）検出によく使用されます。^[28]ユーティリティの位置特定専門家は、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特定にもグラディオメーターを使用します。^[29]

典型的なフラックスゲート磁力計は、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着して巻かれた内側の「駆動」（一次）コイルを囲む「センス」（二次）コイルで構成されています。駆動巻線には交流電流が流され、コアを飽和と不飽和の連続繰り返しサイクルで駆動します。外部磁場に対して、コアは弱透磁率と高透磁率を交互に示します。コアは多くの場合、トロイダル状に巻かれたリング、または駆動巻線がそれぞれ反対方向に巻かれた 1 組の線形要素です。このような閉じた磁束経路により、駆動巻線とセンス巻線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、そのような磁場はセンス巻線を通じて局所的に引き付けられるか、ゲートされます（そのため、フラックスゲートと呼ばれます）。コアが弱透磁率の場合、外部磁場は引き付けられにくくなります。センス巻線への外部磁場の連続的なゲート制御により、センス巻線に信号が発生します。この信号の主な周波数は駆動周波数の 2 倍で、その強度と位相方向は外部磁場の振幅と極性によって直接変化します。

結果として得られる信号の大きさに影響を与える追加の要因があります。これらの要因には、センス巻線の巻数、コアの透磁率、センサーの形状、および時間に対するゲート磁束の変化率が含まれます。

位相同期検出は、センス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 DC 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され、センス巻線が外部磁場を打ち消すように駆動されます。このような場合、フィードバック電流は外部磁場に応じて直線的に変化し、測定の基準として使用されます。これにより、適用される外部磁場の強度とセンス巻線を介してゲートされる磁束との間の固有の非線形性が打ち消されます。

SQUID（超伝導量子干渉装置）は、磁場の極めて小さな変化を測定します。これらは非常に感度の高いベクトル磁力計で、市販の機器ではノイズ レベルが 3 fT Hz ^{−½ 、実験装置では 0.4 fT Hz −½}と低くなっています。多くの液体ヘリウム冷却の市販 SQUID は、DC 付近（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、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 原子磁力計は、比較的狭い周波数範囲で、競争力のあるノイズ フロアに達しています。

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、動作温度が77 K と非常に高いため、熱機械的および磁気的観点から、使用するためのパッケージ要件はかなり厳格です。SQUID 磁力計は、実験室の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、脳磁図法と心磁図法) にも使用されます。地質調査では SQUID が時々使用されますが、SQUID を冷却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。

原子ガスをベースにした磁力計は、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的性質は、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（カリウム、ルビジウム、セシウム）、ヘリウム、水銀などのさまざまな原子種を使用してテストされてきました。アルカリの場合、コヒーレンス時間はスピン交換緩和のために大幅に制限されていました。2000年代初頭に大きな進歩がありました。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は、高温加熱によって十分に高い密度に達すると、アルカリのコヒーレンス時間が大幅に向上することを実証しました。これはいわゆる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で SQUID 磁力計を置き換えることです。これは特に医療用画像処理の場合に顕著で、このような冷却は厚い断熱材を必要とし、記録された生体磁気信号の振幅に強い影響を与えます。現在、いくつかの新興企業がバイオメディカル用途の光ポンピング磁力計を開発しています。TwinLeaf の^[30] 、 quSpin ^[31]、FieldLine ^[32]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。^[33]

原子密度が十分に高ければ、極めて高い感度を達成できます。カリウム、セシウム、またはルビジウムの蒸気を含むスピン交換緩和フリー ( SERF ) 原子磁力計は、上記のセシウム磁力計と同様に動作しますが、1 fT Hz ^{− 1 ⁄ 2}未満の感度に達することができます。SERF 磁力計は小さな磁場の中でのみ動作します。地球の磁場は約 50 μTですが、SERF 磁力計は 0.5 μT 未満の磁場の中で動作します。

^{大容量の検出器は200 aT Hz − 1 ⁄ 2}の感度を達成している。^[34]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。^[35]この技術はまた、将来的には無線周波数磁場を検出するためのコイルに代わる可能性のある非常に小さな磁力計を製造することもできる。^[要出典]この技術は、すべての入出力信号を光ファイバーケーブル上の光の形で持つ磁気センサーを製造する可能性がある。^[36]これにより、高電圧の近くで磁気測定を行うことができる。

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によって行われます。これにより、磁力計の感度（V/T の観点から）を特徴付けることができます。多くの用途では、校正コイルの均一性が重要な特徴です。このため、ヘルムホルツ コイルなどのコイルは、単軸または 3 軸構成でよく使用されます。要求の厳しい用途では、高均一性の磁場が必須であり、そのような場合には、マクスウェルコイル、コサイン コイル、^{[37]を使用するか、非常に均一な}地球の磁場で校正を行うことができます。

磁力計の用途は非常に多岐にわたり、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、さまざまな鉱床や地質構造などの物体の位置特定が含まれます。また、心拍モニター、隠し武器の検出、^[38]軍事兵器システムの位置特定、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）、鉄塔、掘削誘導システム、考古学、プレートテクトニクス、電波伝播、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）、四輪バイク（ATV）の後ろ（そりまたはトレーラー）で遠くから牽引、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（トウフィッシュ）して配備することができます。

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スケールでの磁区の配列を改善し、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、標本の近くで測定される磁場に対する機械的応力の影響は、多くの科学出版物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-応力分解能の逆問題を解決するための取り組みが行われてきました。^{[39] [40]}

磁力計は、濃度や集束ビーム磁石などの重要なコンポーネントの磁場を測定するために、実験粒子物理学で広く使用されています。

磁力計は、遺跡、難破船、その他の埋没物や水中物体の検出にも使用されます。フラックスゲート磁力計は、コンパクトな構成と比較的低コストのため人気があります。磁力計は浅い地形を強調し、ベース ステーションの必要性を排除します。セシウム磁力計とオーバーハウザー磁力計も、磁力計として使用したり、ベース ステーションを備えた単一センサー システムとして使用したりすると非常に効果的です。

テレビ番組「タイムチーム」は、考古学研究で炉床、焼成レンガの壁、玄武岩や花崗岩などの磁性石を見つけるために使用される磁気技術を含む「ジオフィズ」を普及させました。歩行者用の道や道路は、大ハンガリー平原のように磁性土壌の不均一な圧縮や粘土の乱れによって地図化されることがあります。耕作地は、このような調査では磁気ノイズの発生源として機能します。

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ます。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与える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ます。^[41]

磁力計は地域規模で盆地の形状を地図化するために使用できますが、資源を破壊し、長壁採掘設備にとって危険な玄武岩の貫入岩（岩脈、岩床、火山栓）など、石炭採掘の危険性を地図化するのに使用されることがより一般的です。磁力計は、雷によって発火したゾーンの位置を特定し、菱鉄鉱（石炭中の不純物） を地図化することもできます。

地上での高解像度調査（約 10 m のライン間隔と 0.5 m のステーション間隔）では、最高の調査結果が得られます。石炭層が深い場合は、複数のシルを使用したり、表面の玄武岩流の下を調べたりすることで、フェレット^[要説明]を使用したボーリング ホール磁力計も役立ちます。^[要出典]

現代の調査では、一般的にGPS技術を搭載した磁力計を使用して、磁場とその位置を自動的に記録します。その後、データセットは、調査中に静止して地球の磁場の変化を記録する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ます。^[42]

磁力計は石油やガスの掘削において、ドリル付近の掘削工具の方位角を検出するために使用されます。 ^[43]多くの場合、磁力計は掘削工具内の加速度計と組み合わせて使用​​され、ドリルの傾斜と方位角の両方を検出します。 ^[43]

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、このようなシステムを阻止するために多額の費用をかけて設計・建造された（純チタンは非磁性であるため）。^[44]

軍用潜水艦は、海底監視システム、磁気異常探知機、磁気起爆機による探知を逃れるために、定期的に大きな水中ループを通過することで消磁されます。しかし、潜水艦が完全に消磁されることはありません。潜水艦の磁場を測定することで、潜水艦が潜んでいた深度を知ることは可能です。圧力によって船体が歪み、磁場も歪むため、磁場も歪んでしまいます。加熱によっても鋼鉄の磁化が変化することがあります。^{[説明が必要]}

潜水艦は長いソナーアレイを曳航して船舶を検知し、さまざまなプロペラの音も認識できます。ソナーアレイは、ターゲット（船舶など）の方向を三角測量できるように正確に配置する必要があります。アレイは直線的に曳航されないため、フラックスゲート磁力計を使用してアレイ内の各ソナーノードを方向付けます。

フラックスゲートは兵器のナビゲーションシステムにも使用できますが、GPS やリングレーザージャイロスコープに大きく取って代わられています。

ドイツのフェルスターのような磁力計は、鉄製の兵器の位置を特定するのに使用されます。セシウム磁力計やオーバーハウザー磁力計は、古い爆撃場や実験場の位置を特定し、清掃するために使用されます。

UAV のペイロードには、さまざまな防御および攻撃タスク用の磁力計も含まれています。^{[例が必要]}

磁気測定調査は、鉱石（直接検出）または場合によっては鉱床に関連する脈石鉱物（間接または推測検出）を表す磁気異常を特定するのに役立ちます。これには鉄鉱石、磁鉄鉱、赤鉄鉱、そして多くの場合磁硫鉄鉱が含まれます。

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に役立てるため、それぞれの大陸と周囲の海洋の体系的な航空磁気調査に多額の投資を行っています。このような航空磁気調査は、通常、高度 100 メートルで 400 メートルの線間隔で実施され、10 メートル以上ごとに読み取りが行われます。データ密度の非対称性を克服するために、データは線間で補間され (通常は 5 回)、線に沿ったデータは平均化されます。このようなデータは 80 m × 80 m 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 スケールでは、調査の後に、地形が許せば、50 m の線間隔と 50 m の高度で、より詳細なヘリマグまたは農薬散布機スタイルの固定翼が続く場合があります。このような画像は 10 x 10 m ピクセルにグリッド化され、64 倍の解像度を提供します。

ターゲットが浅い場合 (<200 m)、航空磁気異常の追跡には、10 m ～ 50 m の線間隔と 1 m のステーション間隔で地上磁気調査を実施し、最良の詳細 (2 ～ 10 m 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。

磁性体鉱石からの磁場は、距離の 3 乗に反比例して減少します (双極子ターゲット)。または、せいぜい距離の 2 乗に反比例して減少します (磁気単極子ターゲット)。距離による解像度の類似点の 1 つは、ライトを点灯した夜間走行中の車です。400 m の距離では 1 つの光るもやが見えます。しかし、車が近づくと、2 つのヘッドライト、そして左のウィンカーが見えます。

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ります。複数のターゲットが複数の熱源のように混ざり合い、光とは異なり、磁場を集中させる磁気望遠鏡はありません。複数のソースの組み合わせは表面で測定されます。ターゲットの形状、深さ、または磁化方向 (残留磁気) も通常は不明であるため、複数のモデルでデータを説明できます。

Geophysical Software Solutions [1]のPotent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）解釈パッケージです。

磁力計は、鉱物探査者を直接的に（磁鉄鉱に関連する金の鉱化、キンバーライトパイプ内のダイヤモンドなど）支援するほか、より一般的には、鉱化につながる地質構造（花崗岩の周りの剪断帯や変質ハローなど）をマッピングするなど、間接的にも支援します。

航空機搭載型磁力計は、航空機に「針」の形で取り付けられたセンサーを使用するか、ケーブルの端に磁力計を牽引して、地球の磁場の変化を検出します。ケーブル上の磁力計は、その形状から「爆弾」と呼ばれることがよくあります。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の測定値が上下するため、レーダー高度計は地上の公称高度からのトランスデューサーの偏差を追跡します。地面の写真を撮影するカメラが付いている場合もあります。測定位置は GPS も記録することで決定されます。

多くのスマートフォンには、磁場の強さを検知し、コンパスとして使用される小型のマイクロエレクトロメカニカルシステム（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が搭載されています。^[45] 2009年には、3軸磁力計の価格は1台あたり1ドルを下回り、急速に下落しました。3軸デバイスを使用しているため、方向や仰角の保持方法に敏感ではありません。ホール効果デバイスも人気があります。^[46]

ドイツテレコムの研究者は、モバイルデバイスに埋め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ました。彼らのインタラクションフレームワークであるMagiTactは、携帯電話の周囲の磁場の変化を追跡し、磁石を持ったり身に着けたりすることで行われるさまざまなジェスチャーを識別します。^[47]

磁気探査法は、地質に関する追加情報や、環境によってはトラップからの漏出の証拠を提供できるものの、石油探査の主な調査方法としては、地震探査法が磁力計よりも好まれています。 ^{[48]磁力計は、掘削が不可能な地質学的特徴の場所や、地質物理学者に}地層のより完全な画像を提供するその他の特徴を示すために、石油探査でも使用されています。

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。^[49]デュアルテクニック磁力計は、土星を探査するカッシーニ-ホイヘンス^{ミッションの一部です。 [50]}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。^{[51]磁力計は、マーキュリー}メッセンジャーミッションの構成機器でもありました。磁力計は、 GOESなどの衛星でも惑星や月の磁場の 大きさと方向の両方を測定するために使用できます。

体系的な調査は、鉱床の探索や紛失物の発見に使用できます。このような調査は次のように分類されます。

• 航空磁気調査
• ボーリングホール
• 地面
• 海洋

オーストラリアの Aeromag 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。

データはポイント位置データと画像データに分けられ、後者は ERMapper 形式です。

磁場パラメータ（振幅や方向など）の空間分布の測定に基づいて、磁気ビジョン画像を生成することができます。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役立ちます。

磁気勾配計は、通常水平方向に一定の距離だけ離れたセンサーを備えた磁力計のペアです。読み取り値を減算して感知された磁場の差を測定し、磁気異常によって生じた磁場勾配を求めます。これは、地球の磁場の時間的変動とその他の電磁干渉源の両方を補正する 1 つの方法であり、異常をより敏感に検出できます。ほぼ等しい値が減算されるため、磁力計のノイズ性能要件はより厳しくなります。

グラディオメーターは浅い磁気異常を強調するため、考古学や遺跡の調査に適しています。また、不発弾(UXO) の位置特定などのリアルタイム作業にも適しています。ベース ステーションを稼働させ、2 台 (またはそれ以上) のモバイル センサーを使用して平行線を同時に読み取ると、効率が 2 倍になります (データが保存され、後処理されていると仮定)。この方法では、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の作業では、セオドライトと巻尺で設置されたグリッド ペグを使用して調査エリアを定義していました。一部の UXO 調査では、ロープを使用して車線を定義していました。航空調査では、Siledus などの無線三角測量ビーコンが使用されました。

磁気計を作動させるために、非磁性の電子ヒップチェーン トリガーが開発されました。使い捨ての綿リールに沿った距離を測定するために、回転シャフト エンコーダが使用されました。

現代の探検家は、リアルタイム キネマティック GPS を含む、さまざまな低磁気シグネチャ GPS ユニットを使用しています。

磁気調査では、さまざまな発生源から発生するノイズの影響を受ける可能性があります。磁気計の技術によって、発生するノイズの種類も異なります。

方向エラーはノイズの 1 つのグループです。次の 3 つの原因から発生します。

• センサー
• コンソール
• オペレーター

一部の全磁場センサーは、その向きに応じて異なる読み取り値を示します。センサー自体の磁性材料がこの誤差の主な原因です。蒸気磁力計 (セシウム、カリウムなど) などの一部の磁力計では、物理法則に方位誤差の原因があり、それが全体の方位誤差にわずかに寄与します。

コンソールのノイズは、コンソール上またはコンソール内の磁気コンポーネントから発生します。これには、インダクタやトランスのコアのフェライト、LCD の周囲のスチール フレーム、IC チップの脚、使い捨て電池のスチール ケースなどが含まれます。一般的な MIL 仕様コネクタには、スチール スプリングも使用されています。

オペレーターは磁気的に清潔であるよう注意する必要があり、調査中に携行するすべての衣類やアイテムの「磁気衛生」をチェックする必要があります。オーストラリアではAkubra帽子が非常に人気がありますが、磁気調査で使用する前にスチール製の縁を外す必要があります。メモ帳のスチール製のリング、スチール製のキャップ付きブーツ、オーバーオールのアイレットのスチール製のスプリングはすべて、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も問題になることがあります。

オペレーターとコンソール上の鉄製物体からの磁気応答 (ノイズ) は、誘導と残留磁気により、進行方向によって変化する可能性があります。航空磁気調査航空機とクワッドバイク システムでは、特殊な補正装置を使用して進行方向エラー ノイズを補正できます。

測量画像では、方位誤差はヘリンボーン パターンのように見えます。交互の線は波形になることもあります。

データの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。オペレーターが見逃しがちな微妙な異常 (特に磁気ノイズの多いエリア) を、線、形状、クラスター間で相関させて、より明確に定義できるからです。さまざまな高度な強化技術も使用できます。また、ハード コピーと体系的なカバレッジも必要です。

磁力計航法（MAGNAV）アルゴリズムは、2004年に飛行実験として最初に実行されました。^[52]その後、敵に妨害されないより優れた航法方法として、ダイヤモンド磁力計がアメリカ空軍研究所（AFRL）によって開発されました。^[53]

• 地震予測技術と電磁場の研究のさらなる進展
• USGS 地磁気プログラム
• 地球磁場NMR（EFNMR）
• 宇宙搭載型磁力計
• 趣味で磁力計を作るための実践的なガイドライン - パート 1 はじめに 2012 年 7 月 10 日にWayback Machineにアーカイブされました
• 趣味で磁力計を作るための実践的なガイドライン - パート2 構築 Archived 24 February 2021 at the Wayback Machine