Určovanie magnetických vlastností materiálov pomocou indukčných metód RNDr. Jozef Kováč, CSc. Ústav experimentálnej fyziky SAV

Úvod Úvod Technické charakteristiky magnetických materiálov Zdroje magnetického poľa Indukčné metódy merania magnetického toku Záver

Technické charakteristiky magnetických materiálov Základné parametre feromagnetických materiálov zaujímavé z hľadiska ich technického využitia: statické a dynamické charakteristiky - Br, Mr, Bs, Ms Hc, μ – AC, DC χ – AC, DC magnetostrikcia λ; - závislosti týchto veličín na magnetickom poli (hysterézna slučka), teplote (termomagnetické krivky, určenie TC ), čase (relaxačné efekty), frekvencii a ďalších parametroch

Zdroje magnetického poľa - solenoid - Helmholtzove cievky - toroid - elektromagnet

solenoid - jeden z najdôležitejších zdrojov poľa - homogénne magnetické pole v smere osi v prevažnej časti vnútorného priestoru solenoidu; - dlhá valcová cievka, ktorej závity sú rovnako veľké, presne kruhové a po celej dlžke rovnako husté; - intenzita magnetického poľa na osi solenoidu: - z - počet závitov solenoidu, - l - dlžka solenoidu, - r - polomer solenoidu, - a - vzdialenosť vyšetrovaného bodu od stredu, - I - prúd pretekajúci solenoidom,

solenoid - intenzita magnetického poľa v strede solenoidu: - V prípade, že l >> r (nekonečne dlhý solenoid): n = z/l - hustota závitov. - dosiahnutie vyššej intenzity magnetického poľa - mnohovrstvové solenoidy ; - supravodivý solenoid - solenoid navinutý zo supravodiča - prúdy okolo 100 A cez vodič priemeru 1 mm bez akéhokoľvek ohrevu - magnetické pole intenzity až 2.107 A/m.

Helmholtzove cievky homogénne magnetické pole vo väčšom priestore s dobrým prístupom, dva navzájom vhodne umiestnené rovnaké kruhové vodiče vytvárajú v istom priestore dostatočne homogénne magnetické pole; - intenzita magnetického poľa na osi Helmholtzovych cievok je   z - počet závitov jednej cievky l - šírka cievky, s - vzdialenosť Helmholtzovych cievok, r - polomer cievok, a - vzdialenosť vyšetrovaného bodu od stredu, I - prúd pretekajúci cievkami.

Helmholtzove cievky s = r (polomer cievok = ich vzdialenosť), priebeh poľa najvhodnejší. - potom je v strede cievok (a = 0) pole

toroid cievka navinutá na prstencové jadro (solenoid stočený do kruhu) - intenzita magnetického poľa vo vnútri toroidu: ak platí

elektromagnet zdroj magnetického poľa vyššej intenzity; magnetický obvod so vzduchovou medzerou - pracovný priestor, napr. pre magnetické merania; jadro elektromagnetu - z magneticky mäkkého železa v tvare jednoduchého, alebo dvojitého magnetického obvodu; v medzere elektromagnetu šírky 1 až 10 mm možno dosiahnuť pole o intenzite až 5.106 A.m−1; v prípade elektromagnetov nie je intenzita poľa jednoznačne daná budiacim prúdom. Preto sa pri ich použití stanovuje intenzita magnetického poľa meraním.

Indukčné metódy merania magnetického toku princíp - Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie: elektromotorické napätie V indukované v uzavretej elektricky vodivej slučke je úmerné zmene magnetického toku Φ prechádzajuceho cez túto slučku. ak S je plocha slučky kolmá na magnetický indukčný tok Φ a N je počet závitov slučky tak, že vytvárajú cievku, potom magnetická indukcia B je daná ako z toho - keďže vo vákuu a s dobrým priblížením aj vo vzduchu platí potom

Indukčné metódy merania magnetického toku Niektoré metódy a zariadenia využívajúce tento princíp: - metóda stacionárnej cievky – fluxmeter, metóda rotačnej cievky, strhávaci magnetometer, - magnetometer s vibrujúcou cievkou, - magnetometer s vibrujúcou vzorkou - VSM, - fluxgate magnetometer, SQUID magnetometer. V súčasnosti sa najčastejšie využívajú fluxmeter, VSM magnetometer, fluxgate magnetometer a SQUID magnetometer.

Fluxmeter indukované napätie je úmerne zmene indukcie v snímacej cievke, meranie indukcie - integrovanie podľa vzťahu komerčne je dostupných niekoľko typov integračných voltmetrov, resp. fluxmetrov, vysoko citlivé zariadenia - využitie pri konštrukcii hysterézigrafov pre meranie magnetických vlastností magneticky mäkkých materiálov.

VSM magnetometer metóda pohyblivej vzorky, vzorka kmitá v sústave dvoch snímacích cievok zapojených proti sebe, v prípade sínusových kmitov je indukované výstupné elektromotorické napätie V priamo úmerné magnetickému momentu vzorky m podľa vzťahu k - geometrický faktor, A - amplitúda, ω - uhlová frekvencia kmitov; presnosť merania priamo závisí na stabilite amplitúdy a frekvencie; komerčné magnetometre dosahujú citlivosť rádovo 10-8 Am2 (10-5 emu) a presnosť lepšiu ako 2%.

Fluxgate magnetometer - vyvinutý už v 30-tych rokoch minulého storočia na meranie magnetického poľa Zeme; - niekoľko rôznych typov fluxgate senzorov, - najjednoduchší typ - jedno alebo dve jadra feromagnetického materiálu s vysokou permeabilitou umiestnené v budiacej cievke a jednej alebo dvoch snímacích cievkach;

Fluxgate magnetometer snímacie cievky - výstupný signál charakterizovaný veľkosťou druhej harmonickej je mierou veľkosti zložky meraného magnetického poľa rovnobežnej s osou jadra. Merané pole je jednosmerné alebo kvázi-jednosmerné. dvojjadrové usporiadanie - snímacie cievky zapojené proti sebe, takže pri nulovom meranom magnetickom poli je aj výstupný signál nulový; meracím rozsahom fluxgate magnetometrov sú magnetické polia rádu 10-4 až 10-1 Am-1 .  

SQUID magnetometer SQUID (superconducting quantum interference device) zariadenie umožňujúce meranie veľmi malých magnetických polí (až do 10-14 T). Pricíp: supravodivý prstenec prerušený na jednom alebo dvoch miestach tzv. „slabým spojom“ alebo Josephsonovým prechodom, prechod tvorený tenkou vrstvou slabo elektricky vodivého materiálu,

SQUID magnetometer prstenec vo vonkajšom magnetickom poli: - bez slabého spoja => vytlačenie magnetického poľa z prstenca supravodivým prúdom, - slabý spoj príliš hrubý => izolant - supravodivý prúd nepreteká prstencom - magnetické pole prakticky bez prekážok preniká do vnútra prstenca, - vhodná hrúbka tenkej vrstvy - elektrónové páry vytvárajúce supravodivý prúd dokážu pretunelovať - slabý kritický prúd Ic rádovo 10-5 A, => vonkajšie magnetické pole je len slabo vytláčané z prstenca a môže doň prenikať. - indukčný tok v prstenci Φ je potom   - Φa je indukčný tok spôsobený vonkajším magnetickým poľom, - L je indukčnosť prstenca   - Is je supravodivý prúd produkujúci indukčný tok ΦS=LIS.

SQUID magnetometer - v Josephsonovom prechode je tento prúd závislý na kritickom prúde Ic podľa vzťahu - Θ je fázový rozdiel elektrónových vlnových funkcii vo vetvách XYW a WZX v dôsledku pôsobenia vonkajšieho magnetického poľa, - interferencia vlnových funkcii elektrónových párov, - potom supravodivé elektrónové páry sú reprezentované jedinou vlnovou funkciou, => magnetický indukčný tok spôsobený ich prúdom musí byť kvantovaný. kvantum toku, tzv. fluxon: Φ0=h/2e =2.067 x 10-15 Wb  

sinΘ = sin(-2π(Φ/Φ0))= -sin(2π(Φ/Φ0)) SQUID magnetometer Potom pre celkový indukčný tok platí Φ=NΦ0 a fázový uhol Θ závisi na indukčnom toku nasledovne:   Θ = 2πN - 2π(Φ/Φ0). Keďže N je celé číslo, tak sinΘ = sin(-2π(Φ/Φ0))= -sin(2π(Φ/Φ0)) a potom Φ = Φa - LIc sin(2π(Φ/Φ0))

SQUID magnetometer závislosť medzi Φ a Φa pri rovnomernom náraste vonkajšieho indukčného toku sa indukčný tok v prstenci mení po skokoch rovných jednému fluxonu.

SQUID magnetometer cievka v supravodivom prstenci => indukuje sa pulzné elektromotorické napätie, - každý pulz predstavuje zmenu indukčného toku cez prstenec o hodnote 2.067 x 10-15 Wb. SQUID - veľmi citlivý senzor magnetického poľa, v súčasnosti základ rôznych experimentálnych aj komerčných magnetometrov. v súčasnosti dva základné typy SQUID-ov: starší, vyššie popísaný typ nazývaný aj jednosmerný, alebo DC SQUID vynájdený v r. 1964 1965 - vyvinutý ďalší typ - tzv. RF SQUID, používa len jeden Josephsonov prechod budený vysokofrekvenčným striedavým prúdom s frekvenciou rovnou jeho vlastnej rezonančnej frekvencii, - vysokofrekvenčné napätie v oscilačnom obvode je funkciou magnetického toku v supravodivom prstenci s citlivosťou opäť jedného fluxonu. - konštrukčne jednoduchší, v súčasnosti viac rozšírený.

- základná schéma zapojenia snímacieho systému magnetometra. SQUID magnetometer Firma Quantum Design vyrába na báze SQUIDu sériu komerčných magnetometrov známych ako MPMS (Measuring Properties Measuring System). - základná schéma zapojenia snímacieho systému magnetometra.

Záver Ďakujem za pozornosť