¿Por qué hay una gran bola de madera en el magnetómetro del Mariner 3?

Sospecho que la esfera de madera es una bobina de Helmholtz tridimensional . Una bobina de Helmholtz es un par de bobinas circulares, el radio de las bobinas debe ser igual a la distancia de ellas. Hay un par de bobinas para cada una de las tres dimensiones. Cada bobina debe tener el mismo número de vueltas.

Hay arboledas circulares visibles llenas de silicona o algo similar. Las arboledas contienen las bobinas de Helmholtz, un par para cada dirección. Una corriente eléctrica que fluye a través de las bobinas genera el campo magnético. El par de bobinas de Helmholtz minimiza la falta de uniformidad del campo en el centro de las bobinas. Se utiliza como simulador de campo magnético para que el magnetómetro haga pruebas en la Tierra.

Las dos bobinas horizontales (marcadas con una línea verde a mano alzada) generan la componente vertical del campo magnético. Las dos bobinas marcadas con cian para un componente de campo magnético horizontal. Las otras bobinas componentes del campo magnético horizontal marcadas con magenta, solo una bobina es visible. Cada par de bobinas es vertical a los otros dos pares de bobinas.

*Usé Python con Matplotlib para un gráfico de la configuración de la bobina. Todos los radios de las bobinas y todas las distancias de los pares son iguales. La flecha verde muestra la dirección del campo magnético causado por las bobinas verdes, lo mismo ocurre con los colores magenta y cian.

La esfera es simétrica en las tres dimensiones. La fila superior de gráficos son las vistas verticales de cada par de bobinas. Las líneas ocultas no se eliminan.*

Esta configuración de bobinas de Helmholtz se puede utilizar para compensar el campo magnético terrestre local y generar un campo magnético de dirección e intensidad variables para una prueba exhaustiva del magnetómetro para medir la sensibilidad y la linealidad en las tres dimensiones.

La esfera está hecha de madera para evitar metales y campos magnéticos no deseados. La madera no conduce corrientes eléctricas, las corrientes de Foucault no son posibles. Se usa solo para pruebas previas al vuelo, el peso no es un problema. Si usaran plexiglás o fibra de vidrio para eso, necesitarían un modelo hecho de madera para darle forma a la fibra de vidrio. Era más fácil usar la esfera de madera en sí, ya que solo se necesitaba una pieza. No usaron aluminio porque se debe evitar cualquier metal. La fabricación de la esfera fue más fácil usando madera que aluminio y allí no se necesitaba la mejor estabilidad del aluminio. El uso de madera gruesa y pesada proporcionó la estabilidad necesaria a la esfera para evitar cualquier deformación durante las pruebas y también durante la fabricación de la esfera.

El código de Python para dibujar las bobinas de Helmholtz de tres ejes. Ejecute el código para girar la disposición de las bobinas manualmente y mírelo desde todos los lados.

# This import registers the 3D projection, but is otherwise unused.
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D  # noqa: F401 unused import

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

plt.rcParams['legend.fontsize'] = 8

fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection='3d', proj_type = 'ortho')

# Prepare arrays u, v, w1, w2
r = 10.0
d = 0.5 * r
theta = np.linspace(-np.pi, np.pi, 100)
u, v = [r * f(theta) for f in (np.sin, np.cos)]
w1, w2 = np.full_like(theta, d), np.full_like(theta, -d)

ax.plot(u, v, w1, color = 'green')   # coil in XY plane
ax.plot(u, v, w2, color = 'green')

ax.plot(w1, u, v, color = 'cyan')    # coil in YZ plane
ax.plot(w2, u, v, color = 'cyan')

ax.plot(v, w1, u, color = 'magenta') # coil in XZ plane
ax.plot(v, w2, u, color = 'magenta')

ax.set_xlabel('X'), ax.set_ylabel('Y'), ax.set_zlabel('Z')

plt.show()

Para agregar a la respuesta de Uwe:

• El aluminio es un mal material para enrollar bobinas (como los conductores en general) porque cualquier cambio en la corriente se verá “ensombrecido” durante un tiempo por las corrientes de Foucault . Hasta cierto punto, esto se puede mitigar laminando solo secciones pequeñas, pero esto no es tan fácil con el aluminio como con la madera. E incluso con campos magnéticos constantes, el aluminio no es excelente: en realidad no es completamente no magnético, pero exhibe paramagnetismo . De acuerdo, pero ningún material lo es: la susceptibilidad absoluta del Al parece ser más o menos la misma que la de las sustancias orgánicas comunes, alrededor de 10 ^{-8 m³} ⁄ _kg .
• Se podría usar fibra de vidrio, pero probablemente no era tan barato de fabricar como la madera. En particular, las ranuras para los alambres de Helmholtz probablemente podrían ser mucho más fáciles de fresar en madera que en las fibras de vidrio refractarias.
• Los plásticos homogéneos como el plexiglás se pueden producir en masa a un precio muy bajo , pero esto requiere moldes, etc. ¡No es práctico para algo que solo se necesita una vez! Hoy esto sería un poco diferente gracias a las impresoras 3D.

¡Acabo de cruzar la esfera de madera (ya sea Mariner 3 o 4) en imágenes históricas!

En el video JLP 1965: Discovery at Mars hay un excelente video The Changing Face of Mars con comentarios introductorios de su productor/director/escritor, Blaine Baggett, Director, Office of Communication and Education, JPL, sobre las misiones Mariner 3 y 4 a Marte incrustado en su conferencia de Von Karman.

Puedes verlo después de 00:38:40:

Acabo de encontrar otro ejemplo de un triplete de bobinas de Helmholtz en un video sobre los magnetómetros MAVEN.

La página de la misión de NASA.gov Midiendo Marte: El magnetómetro MAVEN enlaza con el video de YouTube Magnetómetro MAVEN . En él puedes ver la misma geometría que en las otras respuestas aquí, tres pares de bobinas de Helmholtz. Pero esta vez son lo suficientemente grandes como para formar un gran espacio en el que podría traer una gran sección de una nave espacial y colocarla sobre una mesa, en lugar de la esfera de madera solo lo suficientemente grande para una carcasa de magnetómetro que tendría que estar suspendida a su alrededor.

Tenga en cuenta que todavía hay una bobina de madera para un solo par de bobinas en la primera imagen.

También puede ver que cada uno de los tres pares tiene un "par de satélites" más pequeño a distancias mucho mayores; se muestra un total de doce bobinas. He hecho una pregunta separada sobre estos: ¿Cómo se usan estas bobinas de Helmholtz "suplementarias" o "satélite"? .

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