Určovanie magnetických vlastností materiálov pomocou indukčných metód

Παρουσίαση με θέμα: "Určovanie magnetických vlastností materiálov pomocou indukčných metód"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

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

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

3 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

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

5 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,

6 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 A/m.

7 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.

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

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

10 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 A.m−1; v prípade elektromagnetov nie je intenzita poľa jednoznačne daná budiacim prúdom. Preto sa pri ich použití stanovuje intenzita magnetického poľa meraním.

11 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

12 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.

13 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.

14 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%.

15 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;

16 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 .

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

18 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 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.

19 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 Wb

20 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))

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

22 SQUID magnetometer cievka v supravodivom prstenci => indukuje sa pulzné elektromotorické napätie, - každý pulz predstavuje zmenu indukčného toku cez prstenec o hodnote x 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 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.

23 - 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.

24 Záver Ďakujem za pozornosť