Кортикальный столбец в бороздовой стенке: упрощенное схематическое изображение кортикального столба в бороздовой стенке. Включены нейронные элементы (P2, P3, P5), которые, возможно, стимулируются компонентом электрического поля, выровненным с осью кортикального столба.Электрические поля, перпендикулярные (Eperp) и тангенциальные (Etan) к стенке борозды, показаны красными стрелками.

Аксональные связи P2 и P3 с нейронами P5 лежат в пределах кортикального столба, вдоль направления оси кортикального столба. Это означает, что электрическое поле, перпендикулярное поверхности коры, вероятно, вызовет волну I1. Поскольку направление индуцированного электрического поля преимущественно параллельно плоскости катушки TMS, поле в бороздах в основном перпендикулярно поверхности коры.В верхней части извилин электрическое поле, индуцированное ТМС, в основном параллельно кортикальной поверхности. Это означало бы, что волна I1 после стимуляции ТМС берет свое начало в стенке борозды. Более поздние I-волны создаются сложными цепями, более высокой интенсивностью стимуляции и, возможно, другими компонентами электрического поля [32]. Это может означать, что предпочтение направления электрического поля наиболее применимо к I1-волне и что эффекты ориентации катушки наиболее заметны при низкой интенсивности стимуляции.

Результаты стимуляции M1 с помощью TMS-катушки в форме восьмерки, однофазной формы волны и направления поля P-A хорошо согласуются с аргументами, изложенными выше. Однако существуют и другие протоколы и аппаратные настройки TMS. Например, стимуляция с помощью катушки в форме восьмерки и двухфазной формы волны дает менее однородные нисходящие корковые залпы по сравнению со стимуляцией с однофазной формой волны [30,33]. Это может означать, что при такой стимуляции активируются и другие нервные элементы.Тем не менее, передне-задне-задне-передняя (AP-PA) ориентация вызывает аналогичный паттерн набора волн D и I с увеличением интенсивности стимуляции, что и монофазная стимуляция PA [30,33].

Приведенный выше аргумент основан на предположении, что активация коры происходит через стимуляцию нервных элементов, выровненных с осью кортикального столба. Однако это, конечно, не единственный возможный механизм активации коры. Подробное обсуждение возможных механизмов активации коры головного мозга и нервных элементов, которые могут стимулироваться с помощью ТМС, см., Например, в [34].

Мозжечок

Результаты в таблице 3 и на рисунке 5 предполагают, что стандартная ориентация катушки для стимуляции CR и CL, которая индуцирует электрическое поле с каудально-ростральным направлением, не может считаться оптимальной. Оптимальная ориентация, найденная в этом исследовании, вызовет медиально-латеральное направленное поле. Кроме того, результаты из таблицы 3 показывают, что латеральная стимуляция мозжечка очень маловероятна из-за низких значений для перпендикулярного поля. Однако из предыдущих исследований известно, что мозжечок можно стимулировать [8,35].

Есть два возможных объяснения расхождений. Первая причина может заключаться в том, что нейронные структуры в мозжечке сильно отличаются от их популяции клеток Пуркинье. Эти клетки могут стимулироваться по-другому и быть более восприимчивыми к электрическому полю, направленному параллельно поверхности мозжечка. Другой причиной могло быть отсутствие извилин и борозд мозжечка в данной модели. Это связано с тем, что модель основана на 3-тесловой МРТ, в которой извилины мозжечка слишком малы, чтобы их можно было надежно различить на МРТ-изображениях.Следовательно, мы не можем определить перпендикулярную составляющую электрического поля в бороздовых стенках мозжечка. Для будущих исследований по моделированию, в которых особое внимание уделяется мозжечку, было бы важно включить извилины мозжечка в процесс построения модели.

Ограничения и проверка

The C ³ -модель очень подходит для объяснения эффекта ориентации спирали на активацию популяций нейронов, но это все еще упрощение механизма, ответственного за активацию нейронов с помощью TMS.Параллельный компонент электрического поля также может способствовать активации нейронов коры головного мозга. Как упоминалось ранее в разделе I-волны и перпендикулярное электрическое поле , при более высоких интенсивностях поздние I-волны создаются более сложными цепями и, возможно, другими направлениями электрического поля [32]. Представление о том, что другие направления электрического поля, возможно, также способствуют генерации MEP, подкрепляется исследованием Opitz et al. (2013) [36]. В пределах заданной области M1 были обнаружены корреляции между амплитудой MEP и средней напряженностью перпендикулярной составляющей, а также средней тангенциальной составляющей электрического поля.Хотя эти результаты кажутся противоречащими предположению о том, что перпендикулярный компонент является наиболее важным для зависимости ориентации катушки, это не обязательно так. Корреляции были определены для изменения амплитуды МВП из-за положения катушки, а не конкретно для ориентации катушки. Сила обеих составляющих электрического поля, вероятно, будет зависеть от расстояния до M1, как и амплитуда МВП. Следовательно, возможно, что обе компоненты электрического поля вносят вклад в генерацию MEP, но только сила перпендикулярной компоненты вносит вклад в ориентационную зависимость.

Результаты этого исследования также основаны на предположениях и упрощениях в отношении активации нейронов для различных областей коры. Наиболее важными из них являются одинаковый режим активации нейронов и предпочтительное направление электрического поля для всех областей коры. Тем не менее, распределение или тип нейронов может отличаться, а также предпочтение направления активации индуцированным электрическим полем (см. Мозжечок ).Однако эти предположения оправдываются тем фактом, что подобная базовая столбчатая структура может быть обнаружена по всей коре головного мозга [22,23]. Мы думаем, что до тех пор, пока нет сведений о различиях в механизмах активации между областями коры из-за ТМС, разумно предположить, что для стимуляции популяций нейронов во всех церебральных клетках необходима одинаковая интенсивность и направление относительно границы CSF-GM. области.

Представленные модели МКЭ основаны на хорошо известных законах физики ( Методы , раздел Теоретические основы TMS ) и рассчитанные поля действительны.Однако результаты все еще требуют тщательной проверки. В этих экспериментах зависимость ориентации катушек должна быть проверена для немоторных областей мозга, например, с одновременной ТМС-фМРТ [37], ТМС-ЭЭГ [38], фосфеновым порогом ( затылочной коры ) или с двумя катушками — парные протоколы импульсов ( областей коры, подключенных к M1 ). Такие эксперименты уже проводились, например, для SMA [25,26], физиологические измерения которого согласуются с результатами, представленными здесь.Тем не менее, чтобы подтвердить общие правила, согласно которым индуцированное электрическое поле всегда должно быть направлено перпендикулярно лежащей ниже извилине и что небольшие изменения ориентации не имеют большого влияния на результаты, следует провести новые эксперименты по проверке достоверности. В этих экспериментах точное местоположение кортикальной мишени должно быть проверено, например, с помощью фМРТ, а ориентация катушки должна изменяться с небольшими шагами по 10 градусов. Таким образом можно определить точную ориентацию относительно корковой мишени.С помощью этих экспериментов также можно проверить обоснованность упомянутых выше упрощений в отношении активации нейронов.

Будущие модели объемной проводимости

Предыдущие отчеты в основном обращали внимание на силу электрического поля и почти не обращали внимания на направление электрического поля [11,12]. Другие исследования действительно включали направление, но фокусировались только на одной борозде [39,34]. Здесь мы хотим привести аргумент в пользу сосредоточения внимания на направлении относительно нижележащих корковых структур.В этом исследовании мы решили сосредоточиться на поле, перпендикулярном поверхности коры, на основе C ³ -модель [19,20]. Связанный подход заключался бы в сосредоточении внимания на направлении поля, определяемом первым собственным вектором DTI на интерфейсе GM-WM [36].

Создание сложных и реалистичных конечно-элементных моделей отнимает много времени и требует значительных вычислительных мощностей. Поэтому вместо них часто используются сферические модели или модели с низким разрешением.Однако отсутствие кривизны коры, как в первых сферических моделях [15,16], делает невозможным изучение электрического поля внутри борозд и тем самым недооценивает поле, перпендикулярное поверхности коры. Можно сделать вывод, что исследования моделирования должны включать реалистичную границу CSF-GM, чтобы правильно ответить на вопросы об индуцированном электрическом поле на корковом уровне.

Сверхбольшая деформация, вызванная электрическим полем в кристаллах ниобата калия-натрия

Abstract

Электромеханическая связь в пьезоэлектрических материалах позволяет напрямую преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот.Здесь мы демонстрируем бессвинцовые (K _x Na _{1- x} ) монокристаллы NbO ₃ со сверхвысоким пьезоэлектрическим коэффициентом большого сигнала d ₃₃ * 9000 пм V ^{— 1} , что превосходит наивысшее значение, о котором сообщалось в современных монокристаллах на основе свинца (~ 2500 пм В ^-1 ). Улучшенные электромеханические свойства в наших кристаллах реализуются за счет инженерного градиента состава в кристалле после выращивания, что обеспечивает заметное обратимое движение доменной стенки, отличное от 180 °.Кроме того, наши кристаллы демонстрируют нечувствительные к температуре характеристики деформации в диапазоне температур от 25 ° C до 125 ° C. Повышенная температурная стабильность отклика также позволяет использовать материалы в более широком диапазоне приложений, которые превышают температурные пределы пьезоэлектрических кристаллов на основе свинца.

ВВЕДЕНИЕ

Перовскитные сегнетоэлектрики со связью между поляризацией, деформацией и электрическим полем нашли широкое применение в областях информации и связи, медицинской визуализации и диагностики.Из-за простоты обработки и низкой стоимости пьезокерамика доминирует на рынке. Пьезоотклик поликристаллической пьезокерамики представляет собой среднее по ансамблю пьезоэлектрического отклика по всем возможным кристаллографическим ориентациям соответствующего монокристалла. Взаимное зажатие соседних зерен, связанных с поликристаллической керамикой, снижает величину их свойств. Этот зажим является основной причиной того, что деформация пьезокерамики, вызванная электрическим полем, обычно не может превышать значение 1.0% ( 1 , 2 ). Сегнетоэлектрические монокристаллы, в которых пьезоэлектричество можно настроить, ориентируя кристалл в оптимальном направлении, представляют большой интерес из-за их превосходной пьезоэлектрической связи и диэлектрических свойств ( 3 — 7 ). Особое значение имеют релаксорные сегнетоэлектрические монокристаллы на основе свинца (1- x ) Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ — x PbTiO ₃ (PMN- ). x PT) и (1- x ) Pb (Zn _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ — x PbTiO ₃ (PZN- x PT).Эти материалы легко демонстрируют большую деформацию 1,7% в электрическом поле 12 кВ мм ^-1 , обеспечивая сверхвысокую пьезоэлектрическую постоянную ( d ₃₃ * = 2500 пм В ^-1 ). Этот прогресс в материалах облегчает разработку электромеханических устройств с растущими инвестициями в технологии выращивания кристаллов, чтобы максимизировать выход продукции и снизить затраты. В то время как монокристаллы PMN- x PT и PZN- x PT в настоящее время являются последними достижениями в высокотехнологичных приложениях, таких как ультразвуковая медицинская визуализация и морской гидролокатор, они имеют ограниченное будущее в потребительских устройствах из-за экологических норм, ограничивающих использование свинца ( 8 ).Это стимулировало растущую исследовательскую тенденцию к разработке материалов на основе бессвинца ( 9 — 13 ).

Сегнетоэлектрические монокристаллы PMN- x PT и PZN- x PT обычно демонстрируют повышенное пьезоэлектричество, когда состав приближается к морфотропной фазовой границе (MPB), что облегчает изменение поляризации ( 14 , 15 ) и деформация происходит под действием электрического возбуждения. Другой важной характеристикой этих сегнетоэлектрических монокристаллов на основе релаксоров является наличие полярных нанообластей (PNR), которые обеспечивают от 50 до 80% диэлектрических и пьезоэлектрических свойств ( 16 ).В дополнение к внутренним механизмам, связанным с MPB и PNR, альтернативные подходы включают конфигурацию сконструированного домена ( 3 , 17 — 20 ) и опосредованное дефектами переключение домена ( 21 ) для усиления пьезоэлектрического ответа. Однако существует предел пьезоэлектрических свойств, который может быть достигнут в монокристаллах PMN- x PT и PZN- x PT на основе вышеупомянутых механизмов и методов.

В этой работе мы предлагаем воспользоваться разработанным градиентом состава для дальнейшего увеличения вклада движения доменных стенок в бессвинцовый сегнетоэлектрик (K _x Na _{1- x} ) NbO _{3 монокристалла} (КНН).Получена сверхбольшая пьезоэлектрическая постоянная для большого сигнала d ₃₃ * 9000 пм В ^-1 при относительно небольшом электрическом поле 1 кВ мм ^-1 . Отклик как минимум в три раза больше, чем у монокристаллов PMN- x PT при том же электрическом воздействии. Кроме того, нечувствительные к температуре характеристики деформации, вызванной электрическим полем, наблюдаются в диапазоне температур от 25 ° C до 125 ° C из-за высокой температуры Кюри 420 ° C.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Сверхбольшие пьезоэлектрические свойства

Сверхбольшая деформация 0.9% и беспрецедентный d ₃₃ * 9000 пм В ⁻¹ при электрическом поле 1 кВ мм ⁻¹ обнаружены для K _0,43 Na _0,57 NbO ₃ монокристаллов ( KNN43), как показано на рис. 1A. Также сравнивались типичные кристаллы на основе свинца ( 3 , 6 ). Высокий пьезоэлектрический коэффициент большого сигнала d ₃₃ * по крайней мере в три раза превышает значение кристаллов релаксора-ФП. Реакция на деформацию была подтверждена на образцах KNN43 в результате многократного роста кристаллов, а также с помощью цифровой голографической интерферометрии Маха-Цендера, которая показывает согласованные результаты с деформациями, измеренными с помощью традиционного лазерного интерферометра (рис.S3). Температурная зависимость значений d ₃₃ * показана на рис. 1B, который демонстрирует более высокую термическую стабильность, чем кристаллы PZN-6.5PT ( 22 ) и PMN-33PT (рис. S4), благодаря высокая температура Кюри 420 ° C (рис. S5). С повышением температуры значение d ₃₃ * немного увеличивается с 9000 до 9900 пм V ⁻¹ при 75 ° C. Поведение при деформации регистрировалось от комнатной температуры до 125 ° C (рис. S6), демонстрируя не только высокие характеристики деформации, но и небольшие изменения в диапазоне температур.Примечательно, что температурно-зависимые деформации были получены при уменьшенном управляющем поле 0,5 кВ мм ^-1 , что значительно меньше, чем требуется для обычных поликристаллических пьезоэлектрических материалов (4 кВ мм ^-1 или более). Значение пьезоэлектрического коэффициента d ₃₃ * для большого сигнала на два порядка больше, чем значение для малого сигнала d ₃₃ 190 пКл N ^-1 , измеренное с использованием метода Берлинкорта. Это означает, что ответ с большим сигналом, возможно, вызван обратимым переключением домена, которое не действует при низких напряжениях.

( A ) Сравнение при комнатной температуре деформации, вызванной электрическим полем, полученной в этой работе, с таковой для других материалов с относительно высокой деформацией. ( B ) Сравнение значений d ₃₃ * при различных температурах. Униполярное измерение проводилось вдоль псевдокубического направления [001] с частотой 1 Гц.

Структурный механизм

Механизм деформации был продемонстрирован путем проведения in situ экспериментов по рассеянию высокоэнергетических рентгеновских лучей.Здесь был собран сегмент трехмерной карты обратного пространства, охватывающий элементы обратной решетки приблизительно 0 < hkl <4,5. На рисунке 2A показаны плоскости обратной решетки hk и hl из этого объема, которые выровнены перпендикулярно и параллельно вектору приложенного электрического поля соответственно. В этой ориентации сегнетоупругие доменные структуры наблюдаются за счет расщепления рефлексов исходной кубической фазы. На рис. 2 (Б и Г) видно, что в исходном состоянии кристалл имеет сегнетоэластические домены в плоскости hk (перпендикулярно полю), но не в плоскости hl (параллельно полю).При приложении электрического поля 1,2 кВ мм ⁻¹ (рис. 2, C и E) в плоскости hl появляются дополнительные дифракционные пятна при меньших значениях вектора q , чем в исходном состоянии. Этот результат указывает на зарождение доменов с направлением максимальной спонтанной деформации и, следовательно, полярным направлением, параллельным вектору приложенного поля. Карты обратного пространства были собраны с шагом 0,2 кВ мм ⁻¹ от начального состояния до 1,2 кВ мм ⁻¹ .Суммарные линейные развертки вдоль линии обратной решетки 31 l показаны на рис. S7. Здесь зарождение домена начинается после 0,2 кВ мм ^-1 и быстро развивается между 0,4 и 0,6 кВ мм ^-1 .

( A ) Схематическое изображение геометрии сбора данных и плоскости сечения hk и hl из объема обратного пространства в исходном состоянии: ( B и C ) 302 дифракционных пика до и после приложение электрического поля и ( D и E ) 310 дифракционных пиков до и после приложения электрического поля.

Малый сигнал

Поскольку это явление наблюдалось только в выбранной области большой кристаллической були, были проведены обширные эксперименты с градиентом состава внутри були, чтобы понять происхождение. График прямого пьезоэлектрического коэффициента d ₃₃ (с использованием метода Берлинкорта, отличного от большого сигнала d ₃₃ *, полученного деформацией в зависимости от электрического поля) как функции содержания калия, x , в диапазоне x = 0.2–0,8 показано на рис. 3A (подробности испытаний приведены в дополнительных материалах). Кристаллы нарезали перпендикулярно направлению роста кристаллов [001] _C , и образцы помещали стороной с более низким содержанием калия вверх, как показано на фиг. 3B. Примечательно, что кристаллы KNN показывают d ₃₃ значений без полинга. Линия «Как выращено» показывает, что значения d ₃₃ отрицательны в регионах I и II и положительны в регионах IV и V.Противоположные пьезоэлектрические коэффициенты указывают на разную ориентацию изменения спонтанной поляризации при малых значениях напряжений, которые направлены вверх и вниз для областей I и II и областей IV и V соответственно. Макроскопическая спонтанная поляризация, направление которой совпадает с направлением d ₃₃ , также подтверждается различием между положительным и отрицательным коэрцитивным смещением, то есть отпечатком, полученным от поляризационно-электрической ( P — E ) гистерезис (рис.S9). Хотя большинство векторов поляризации в области III лежат в плоскости, кристаллы демонстрируют относительно небольшие значения d ₃₃ , вероятно, из-за сосуществования восходящей и нисходящей макроскопической спонтанной поляризации. Кристаллы с различным содержанием калия наделены тремя различными конфигурациями вектора поляризации, как показано на рис. 3C. Более того, очевидно, что отрицательный пик d ₃₃ расположен в области II. Здесь d ₃₃ быстро переходит через ноль, поскольку состав изменяется лишь незначительно в направлении области III, указывая на то, что направление поляризации сильно нарушено между противоположными направлениями.Мы предполагаем, что именно в этой переходной области наблюдается максимум пьезоэлектрического отклика с большим сигналом.

( A ) Пьезоэлектрический коэффициент d ₃₃ как функция содержания калия. Области с I по V указывают на области, где содержание калия x составляет от 0,29 до 0,40, от 0,41 до 0,43, от 0,43 до 0,46, от 0,46 до 0,48 и> 0,5 соответственно.( B ) Кристалл KNN, выращенный методом выращивания из раствора с верхней затравкой. Все образцы были отполированы до толщины 0,2 мм. ( C ) Принципиальная схема направления поляризации при изменении состава перед полингом. Направления P на схематической диаграмме представляют только проекцию макроспонтанной поляризации в направлении [001] _C , игнорируя другие направления. Конфигурации доменов под пьезоэлектрическим силовым микроскопом при значениях x ( D ) 0.37, ( E ) 0,43 и ( F ) 0,45. ( G ) Схематическая диаграмма напряжения, вызванного градиентом состава, которое создает восстанавливающую силу.

Зависимость доменной структуры от изменения состава

Отличные пьезоэлектрические свойства всегда сопровождаются особыми доменными структурами. Примечательно, что разные области в нынешней кристаллической були KNN демонстрируют различные конфигурации доменов (как показано на фиг. 3, D — F; для более подробной информации см. Фиг. S11). Большие полосатые домены были получены в области I, где наблюдаются относительно небольшие значения d ₃₃ .В области II большие домены отсутствуют и заменены меньшими доменами типа «елочка». Затем домены в елочку исчезают, а в области III появляются лабиринтные домены. Миниатюрные доменные структуры распространены в сегнетоэлектриках вблизи МПВ, что связано с уменьшением кристаллографической анизотропии направлений векторов поляризации ( 23 ).

Когда сегнетоэлектрики подвергаются воздействию электрического поля, домены выстраиваются вдоль направления электрического поля, вызывая макроскопическую деформацию.После опроса некоторые домены остаются ориентированными вдоль направления электрического поля, а другие меняются местами или переключаются обратно в свое исходное состояние. Однако, если существует движущая сила, которая меняет направление всех доменов перпендикулярно направлению приложенного поля, то возникает доступ к механизму деформации, вызванной сверхсильным электрическим полем. Рекордно высокая деформация, вызванная электрическим полем, описанная здесь, как показывает дифракция in situ, является следствием этой большой объемной доли переключаемых доменов. Предыдущие исследования подтвердили, что точечные дефектно-закрепленные домены ( 21 ) и закрепленные субстратом домены ( 24 — 27 ) могут быть использованы для облегчения этого обратимого переключения домена и, в свою очередь, высокого уровня деформации.Предполагается, что в текущем исследовании эта обратимость является результатом инженерного композиционного градиента. Из-за наличия градиента состава возникает изменение постоянных решетки вдоль направления градиента (см. Рис. 3G). Это напряжение, вызванное градиентом состава, которое создает восстанавливающую силу (см. Рис. S13), чтобы облегчить обратимое переключение домена и, как следствие, большую деформацию, вызванную электрическим полем. Наличие градиента состава необходимо для большой деформации, но большая деформация может наблюдаться только в составе, близком к K _0.43 Na _0,57 NbO ₃ . Повышенная деформация — это накопительный эффект, который является результатом локального напряжения, вызванного градиентом состава, который является максимальным в этой самой композиции.

Таким образом, в бессвинцовом сегнетоэлектрическом кристалле с заданным градиентом состава достигается деформация, индуцированная сверхвысоким электрическим полем, равная 0,9% под напряжением 1 кВ мм ⁻¹ . Для демонстрации того, что эта деформация является результатом переключения домена, использовалась дифракция рентгеновских лучей (XRD) in situ.Наше открытие в этой работе указывает на огромные возможности для разработки пьезоэлектриков с высокими рабочими характеристиками на основе композиционной градиентной инженерии и открывает перспективы для новых стратегий для улучшения деформаций, вызванных электрическим полем, в функциональных материалах.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Выращивание кристаллов и подготовка образцов

Кристаллы ниобата калия-натрия (K _x Na _{1- x} NbO ₃ ) были выращены методом выращивания из раствора с верхним засеянным слоем. с K ₂ CO ₃ (99.99%), Na ₂ CO ₃ (99,99%) и Nb ₂ O ₅ (99,99%), в которых избыток Na ₂ CO ₃ и K ₂ CO ₃ добавляется в качестве самопотока для снижения температуры роста. Система нагрева представляет собой среднечастотную индукционную печь с частотой 2 кГц в атмосфере воздуха, в которой температура регулируется контроллером Eurotherm 818 (Eurotherm, Sussex, UK) с точностью ± 0,3 ° C.Сырье синтезировали при 900 ° C в течение 6 часов и плавили при 1230 ° C в течение 6 часов. Скорость вращения и вытягивания кристалла составляла примерно 20 об / мин и 4,0 мм в день соответственно. Ориентацию образцов определяли с помощью рентгеновского аппарата Лауэ. Электроды наклеивали на (001) _C образцов с размерами приблизительно 2 мм × 2 мм × 0,2 мм (длина × ширина × толщина). Состав кристаллов исследовали с помощью электронно-зондового микроанализатора (EPMA-1720, Shimadzu, Япония).Данные EPMA трех репрезентативных составов K _0,41 Na _0,59 NbO ₃ , K _0,43 Na _0,57 NbO ₃ и K _0,44 Na _0,56 NbO ₃ приведены в таблицах От S3 до S5.

Электрические измерения

Пьезоэлектрическая постоянная d ₃₃ была измерена коммерческим пьезометром Zj-5A d ₃₃ метр (Институт акустики Китайской академии наук, Китай) с использованием «квазистатического» метода. метод (также известный как метод Берлинкорта, отличный от метода большого сигнала d ₃₃ *, измеренного деформацией в зависимости от электрического поля).Образец кристалла помещался между двумя металлическими захватами, которые прикладывали небольшую колеблющуюся силу. Процедура измерения была следующей: верхняя сторона находилась на поверхности образца с более низким содержанием элемента K. Все образцы кристаллов были измерены по крайней мере в пяти разных точках, и значение d ₃₃ является средним значением измеренных данных. Были использованы две партии образцов, чтобы убедиться, что значение d ₃₃ было правильно измерено.

Диэлектрическую проницаемость измеряли с помощью измерителя импеданса-емкости-сопротивления (LCR) (E4980A, Agilent Technologies, США) путем подачи переменного напряжения 1 В на частотах 1, 10 и 100 кГц (рис.S5).

Поляризационно-электрические ( P-E ) петли гистерезиса поля (рис. S9) и петли гистерезиса электростатических деформаций были охарактеризованы с использованием сегнетоэлектрической испытательной системы (Precision Premier II, Radiant Technology Inc., США и aixACCT TF Analyzer 1000, Германия). Частоты петель гистерезиса поля P-E и петель гистерезиса электродеформации составляют 100 и 1 Гц соответственно. Зависимость деформации от электрического поля для K _0,35 Na _0,65 NbO ₃ и K _0.44 Na _0,56 NbO _{Для сравнения было измерено 3 кристалла} (рис. S10).

Наблюдение домена

Конфигурация домена изучалась с помощью силовой микроскопии пьезоотклика (PFM; Cypher, Asylum Research, США; показано на рис. S11) и микроскопии в поляризационном свете (PLM; Axioskop 40 Pol / 40A Pol, Zeiss, Германия; показано на рис. S12). Наблюдения PFM проводились с помощью зонда NanoWorld Arrow EFM-50, постоянная пружины кантилевера составляет 2,8 Н · м ⁻¹ (резонансная частота, 75 кГц).Зонд был оснащен Si-наконечником с радиусом вершины 33 нм и двойным слоем хрома и платины / иридия (Pt / Ir) толщиной 5/25 нм с обеих сторон, что привело к радиусу кривизны наконечника менее 10 нм. К проводящему наконечнику ЧИМ прикладывалась амплитуда 0,5 В, и изображения получали с частотой 1 Гц. Все образцы, отполированные алмазным распылителем для полировки перед измерением PFM, после этого были отожжены при 400 ° C в течение 2 часов.

Пространственное распределение деформации с помощью системы Маха-Цендера

Пространственное распределение деформации было подтверждено оптическим методом цифровой голографической интерферометрии Маха-Цендера, как показано на рис.S2. He-Ne-лазер (Thorlabs HNL050L) накачивал линейно поляризованный свет с длиной волны 632,8 нм, который расширялся, фильтровался и коллимировался, чтобы служить в качестве зондирующего света. Горизонтально линейно поляризованный свет (называемый p-поляризованным светом) через поляризационный светоделитель (PBS), отраженный зеркалом M ₁ и светоделителем (BS), был опорной волной. Вертикально линейно поляризованный свет (называемый s-поляризованным светом), который отражается PBS и затем проходит через BS, был объектной волной.С целью обеспечения селекции p-поляризованного света или s-поляризованного света полуволновая пластинка (λ / 2, здесь λ = 632,8 нм) была установлена ​​либо в объектном плече, либо в опорном плече. Наконец, интерференционная картина, мешающая опорной и объектной волнам, была записана на устройстве с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-матрица представляла собой 14-битную цифровую камеру (GRAS-14S5 M / C) с 1384 × 1036 пикселей и размером пикселя 6,45 мкм × 6,45 мкм.

XRD дифракция

Эксперименты по дифракции на монокристаллах были проведены на канале ID31 Европейского центра синхротронного излучения.Энергия рентгеновского пучка 68,37 кэВ использовалась в геометрии пропускания. Использовался пучок 300 мкм в поперечном сечении 1 мм. В этом случае луч проникает сквозь толщину кристалла, а информация о рассеянии исходит от основной массы материала. В нашем случае размер кристалла составлял 1 мм × 1 мм × 1 мм, а размер падающего рентгеновского пучка составлял примерно 0,2 мм × 0,3 мм. Объем кристалла, отобранный рентгеновским лучом во время вращения кристалла и сбора карт обратного пространства, был, таким образом, порядка одной пятой от полного объема кристалла.Детектор Pilatus CdTe 2M был размещен на расстоянии 921 мм от образца для сбора информации о рассеянии. Образец помещали в ячейку электрического поля и погружали в силиконовое масло, как показано на рис. S8. Напряжение прикладывалось с шагом 200 В · мм ^-1 до максимальной напряженности поля 1,2 кВ · мм ^-1 . При каждом полевом применении образец вращался вокруг вертикальной оси с дифракционными изображениями, интегрированными с поворотом на 0,1 ° на 110 °. Параметры кристаллической решетки были получены с помощью картирования обратного пространства (показано на рис.S14), который анализировали на четырехкружном рентгеновском дифрактометре (Rigaku SmartLab). Параметры решетки кристаллов KNN приведены в таблице S1.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Дополнительные материалы к этой статье доступны по адресу http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/13/eaay5979/DC1

Дополнительный текст

Рис. S1. Кривые зависимости деформации от электрического поля.

Рис. S2. Система Маха-Цендера.

Рис. S3. Изображения пространственного распределения деформации.

Рис. S4. Кривые зависимости деформации от электрического поля.

Рис. S5. Диэлектрические свойства.

Рис. S6. Температурная зависимость униполярной деформации.

Рис. S7. Развитие продольных доменов параллельно направлению поля.

Рис. S8. Монокристалл KNN установлен в ячейке электрического поля.

Рис. S9. Петли гистерезиса кристаллов KNN43.

Фиг. S10. Кривые зависимости деформации от электрического поля.

Рис. S11. Вертикальные PFM-изображения доменов.

Фиг. S12. Конфигурация доменов монокристаллов KNN с помощью PLM.

Рис. S13. Петля гистерезиса фазового напряжения монокристалла K _0,37 Na _0,63 NbO ₃ методом ЧИМ.

Фиг. S14. Карты обратного пространства для монокристаллов KNN.

Таблица S1. Отношение параметров решетки c / a кристаллов KNN.

Таблица S2. Свойства кристалла KNN43.

Таблица S3. Измерен элементный состав К _0.41 Na _0,59 NbO ₃ монокристалл.

Таблица S4. Измеренный элементный состав монокристалла K _0,43 Na _0,57 NbO ₃ .

Таблица S5. Измеренный элементный состав монокристалла K _0,44 Na _0,56 NbO ₃ .

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что в результате будет использовано , а не для коммерческой выгоды и при условии, что оригинальная работа правильно цитируется.

Благодарности: Мы благодарим лабораторию микрооптики и фотонных технологий провинции Хэйлунцзян за помощь в проведении экспериментов. Финансирование: Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (гранты № 11674079, 51802055 и 51822206). Вклад авторов: C.H., J.E.D., H.T. и K.W. задумал. C.H., H.T., J.E.D., L.L. и K.W. разработал эксперименты. Z.Z., K.W., Q.L. и W.C. предоставил устройства для выращивания и характеризации кристаллов.C.H., M.-H.Z., J.E.D., K.W. и H.T. провели и проанализировали эксперименты. C.H., X.M., F.H. и H.T. выросли кристаллы. C.H. и Х. характеризует доменную структуру, петли P — E и пьезоэлектричество. J.E.D., C.H., M.-H.Z., J.-F.L. и K.W. предоставил и проанализировал данные дифракции XRD. X.M. и П. измерили пространственное распределение деформации с помощью системы Маха-Цендера. Статья написана, а рисунки подготовлены C.H., M.-H.Z., H.T., J.E.D. и K.W. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

• Copyright © 2020 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

Электропроводность — Электромагнитная геофизика

Электропроводность — это диагностическое физическое свойство, которое количественно определяет, насколько легко электрические заряды проходят через данный материал под действием приложенного электрического поля. В математических разработках и в справочных материалах, описывающих горные породы или флюиды, обычно используется обратное удельное электрическое сопротивление. Для большинства геофизических исследований, описанных в EM GeoSci, электропроводность является основным диагностическим физическим свойством.

Учредительные отношения

Когда к материалу прикладывается электрическое поле, свободные заряды внутри материала испытывают электрическую (кулоновскую) силу. Эта сила заставляет свободные заряды перемещаться через материал в направлении приложенного поля (т. Е. Электрического тока). Легкость, с которой электрические заряды проходят через материал под действием электрического поля, зависит от его электропроводности.

Рис. 3 Течение электрических зарядов под действием приложенного электрического поля.

Электропроводность \ (\ sigma \) определяет соотношение между плотностью тока \ (\ mathbf {J} \) в материале и электрическим полем \ (\ mathbf {E} \). Это соотношение известно как закон Ома и определяется по формуле:

\ [\ mathbf {J} = \ sigma \ mathbf {E} \]

, где плотность тока определяется как электрический ток \ (\ mathbf {I} \) на единицу площади поперечного сечения \ (A \) (рис. 3):

\ [\ mathbf {J} = \ lim_ {A \ rightarrow 0} \ frac {\ mathbf {I} (A)} {A} \]

Удельное электрическое сопротивление

Во многих случаях электрические свойства материала характеризуют с помощью удельного электрического сопротивления \ (\ rho \).Удельное электрическое сопротивление определяется как величина, обратная удельной электропроводности:

\ [\ rho = \ frac {1} {\ sigma} \]

Таким образом, определяющую взаимосвязь можно переформулировать следующим образом:

\ [\ mathbf {E} = \ rho \ mathbf {J} \]

Заряжаемость и частотная зависимость

Под действием электрического поля свободные заряды (например, ионы) протекают через материалы в направлении приложенного поля. Для большинства практических приложений поток электрических зарядов находится в фазе с приложенным электрическим полем.Однако когда ионные заряды достигают непроницаемого барьера, они начинают накапливаться. В результате определенные материалы могут действовать как конденсаторы для ионных зарядов; явление, известное как индуцированная поляризация. C} \ Bigg] \]

, где \ (\ sigma _ {\ infty} \) — бесконечный предел частоты, \ (0 \ leq \ eta \ leq 1 \) — заряжаемость , а \ (\ tau \) и \ (0 \ leq C \ leq 1 \) определяют скорость накопления заряда.{-4} \) s и \ (C \) = 0,5.

Значение для геофизики

Электропроводность

Большинство электромагнитных съемок используют контрасты в электропроводности для изображения недр. Например, во время исследований удельного сопротивления постоянному току (DCR) электрический ток проходит через Землю. Путь, по которому проходит ток, а также измеренные данные зависят от распределения подповерхностной проводимости.

Многие электромагнитные системы работают на принципах электромагнитной индукции.К ним относятся: электромагнитная съемка в частотной области (FDEM), электромагнитная съемка во временной области (TDEM), электромагнитная съемка с контролируемым морским источником (CSEM) и неразорвавшиеся боеприпасы (UXO). Во время этих исследований передатчик посылает изменяющиеся во времени электромагнитные сигналы в землю, которые впоследствии индуцируют электрические токи. Сила наведенных токов и создаваемые ими вторичные поля зависят от распределения подповерхностных проводимостей.

Данные, собранные во время магнитотеллурической (МТ) и Z-оси Tipper EM (ZTEM) съемок, также зависят от проводимости Земли.Эти методы основаны на естественных источниках для генерации электромагнитных откликов. Для МП отношения между измеренными компонентами электрического и магнитного полей дают представление об электромагнитном импедансе Земли и, косвенно, о ее электропроводности.

Платность

По сравнению с большинством других типов пород, сульфидсодержащие породы являются высоко заряженными; за исключением горных пород с высоким содержанием глины. В достаточном количестве сульфидсодержащие породы могут иметь значительную экономическую ценность.В отличие от опросов DCR, опросы IP можно использовать для различения платных и бесплатных тел, даже если оба обладают одинаковой проводимостью. Системы TDEM также могут использоваться для распознавания наличия заряженных тел, поскольку они производят различные ответы во временной области. В результате заряженность стала уникальным диагностическим физическим свойством, используемым для определения месторождений сульфидных руд.

Акустоэлектронный пинцет мягко манипулирует биологическими наночастицами шириной всего в несколько нанометров — ScienceDaily

Инженеры из Университета Дьюка разработали систему для управления частицами, приближающимися к миниатюрной 2.ДНК диаметром 5 нанометров с использованием индуцированных звуком электрических полей. Этот подход, получивший название «акустоэлектронные нанопинцеты», обеспечивает динамически управляемый метод перемещения и захвата наночастиц на большой площади без использования этикеток. Эта технология может найти применение в самых разных областях, от физики конденсированных сред до биомедицины.

Исследование появится в Интернете 22 июня в номере Nature Communications .

Точный контроль наночастиц — важнейшая способность многих развивающихся технологий.Например, отделение экзосом и других крошечных биологических молекул от крови может привести к новым типам диагностических тестов для раннего обнаружения опухолей и нейродегенеративных заболеваний. Размещение инженерных наночастиц в определенном узоре перед их фиксацией может помочь в создании новых типов материалов с легко настраиваемыми свойствами.

Более десяти лет Тони Джун Хуанг, заслуженный профессор машиностроения и материаловедения в Duke Уильяма Бевана, разрабатывал системы акустических пинцетов, которые используют звуковые волны для управления частицами.Тем не менее, когда их профиль становится ниже, чем у некоторых из самых маленьких вирусов, становится трудно продвигать вещи со звуком.

«Хотя мы все еще в основном используем звук, в наших акустоэлектронных нанопинцетах используется совершенно другой механизм, чем в предыдущих технологиях», — сказал Джозеф Руфо, аспирант, работающий в лаборатории Хуанга. «Теперь мы используем не только акустические волны, но и электрические поля со свойствами акустических волн».

Вместо использования звуковых волн для прямого перемещения наночастиц Хуанг, Руфо и Пейран Чжан, постдок из лаборатории Хуанга, используют звуковые волны для создания электрических полей, обеспечивающих толчок.Новый подход с акустоэлектронным пинцетом заключается в размещении пьезоэлектрической подложки — тонкого материала, который создает электричество в ответ на механическое напряжение — под небольшой камерой, заполненной жидкостью. Четыре преобразователя выровнены по бокам камеры, которые посылают звуковые волны в пьезоэлектрическую подложку.

Эти звуковые волны подпрыгивают и взаимодействуют друг с другом, создавая устойчивый узор. А поскольку звуковые волны создают напряжения в пьезоэлектрической подложке, они также создают электрические поля.Они соединяются с акустическими волнами таким образом, что создает структуру электрического поля в камере наверху.

«Колебания звуковых волн также заставляют электрическое поле динамически чередовать положительные и отрицательные заряды», — сказал Чжан. «Это переменное электрическое поле поляризует наночастицы в жидкости, которая служит ручкой для манипулирования ими».

В результате получился механизм, сочетающий в себе некоторые сильные стороны других манипуляторов с наночастицами. Поскольку акустоэлектронные нанопинцеты вызывают электромагнитный отклик в наноматериалах, наночастицы не обязательно должны быть проводящими сами по себе или помечены каким-либо модификатором.А поскольку паттерны создаются с помощью звуковых волн, их положение и свойства можно быстро и легко изменить, чтобы создать множество вариантов.

В прототипе исследователи показывают наночастицы, расположенные в виде полосатых и шахматных узоров. Они даже динамически толкают отдельные частицы произвольным образом, записывая буквы, такие как D, U, K и E. Затем исследователи демонстрируют, что эти выровненные наноразмеры могут быть перенесены на сухие пленки с использованием тонких наночастиц, таких как углеродные нанотрубки, 3 .5-нанометровые белки и 1,4-нанометровый декстран часто используются в биомедицинских исследованиях. И они показывают, что все это может быть выполнено на рабочей области, которая в десятки или сотни раз больше, чем современные современные технологии нанотвизинга.

История Источник:

Материалы предоставлены Duke University . Оригинал написан Кеном Кингери. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Воспроизведение наблюдений электрического поля во время магнитных бурь с помощью строгого трехмерного моделирования и совместной оценки матрицы искажений | Земля, планеты и космос

Мы рассматриваем крупномасштабный магнитосферный источник, который мы параметризуем 15 низкими коэффициентами SHE εnm (ω) ( n ≤3, | m | ≤3).Мы оцениваем временные спектры этих коэффициентов отдельно для всех шести магнитных бурь, приведенных в таблице 1. Они используются для синтеза временных рядов электрического поля в точках измерения в Японии и в Филиппинском море, показанных на рисунке 1.

Насколько широко Как известно, в геомагнитные и геоэлектрические поля в спокойные магнитные времена преобладают дневные солнечные спокойные вариации ( кв. ), которые не могут быть полностью описаны выбранным нами набором коэффициентов (например, Schmucker [2013]).Чтобы свести к минимуму влияние Sq , мы оцениваем матрицы искажения на основе 3-дневных сегментов вычисленных и наблюдаемых временных рядов, которые сосредоточены вокруг интересующей магнитной бури.

Обсерватории на дне океана

Магнитная буря в апреле 2000 г. была единственным значительным событием во время развертывания электромагнетометров на дне океана. Для выбранного 3-дневного сегмента вокруг этого шторма только 4 станции (OB1, OB2, OB5 и OB6) собрали достоверные данные. Мы представляем наблюдаемое и прогнозируемое электрическое поле на этих участках на Рисунке 3.Обратите внимание, что «прогнозируемое» электрическое поле определяется формулой G E ^mod ( t ). Наши оценки матрицы искажений G представлены в таблице 2.

E-поле в обсерваториях дна океана. Наблюдаемое (синий) и прогнозируемое (красный) электрическое поле для магнитной бури в апреле 2000 года. Левая панель: E _x ; правая панель: E _y .Обратите внимание, что для наглядности временные ряды на отдельных станциях сдвинуты на 15 мВ / км.

Поскольку для участков дна океана ожидается небольшое гальваническое искажение, мы предположили, что G близок к единичной матрице. Действительно, результаты на большинстве сайтов показывают диагональные элементы G _xx и G _гг близко к 1 и недиагональным элементам G _xy и G _yx близко к 0. Г _хх в OB6 значительно отклоняется от ожидаемых значений; однако Exobs в OB6 показывает ряд нефизических всплесков; следовательно, это отклонение может быть связано с качеством данных. На OB5 оба G _xx и G _yx явно отклоняются от ожидаемого значения, указывая на то, что предположение об однородной слоистой геологической среде может не выполняться для этой станции.В целом, результаты подтверждают, что для океанических участков амплитуды наших моделей близки к амплитудам реального электрического поля и, таким образом, подтверждают концепцию Пюте и Кувшинова ([2013]).

В последних двух столбцах таблицы 2 мы представляем коэффициенты детерминации. Rx2 измеряет, насколько хорошо Exobs коррелирует с входами Exmod и Eymod, а Ry2 измеряет, насколько хорошо Eyobs коррелирует с этими входами. Приемлемые коэффициенты детерминации получены для всех станций, особенно в E _y компонент.

Береговые обсерватории

Береговые обсерватории KAK, KNY и MMB обеспечивают непрерывный временной ряд электрического поля. Мы оцениваем матрицы искажений отдельно для каждой магнитной бури. Это позволяет нам исследовать надежность наших оценок. Таблицы 3, 4 и 5 содержат оценочные элементы G для каждого шторма, а также среднее значение и стандартное отклонение, полученные путем анализа всех событий. Обращает на себя внимание резкое различие оценок, полученных на разных сайтах.В KAK (Таблица 3), G _yy больше по сравнению со всеми остальными элементами, а у MMB (таблица 5) G _xx и G _xy большие. Максимальные значения для обеих обсерваторий составляют около 3, что указывает на то, что наши модели занижают амплитуду фактического электрического поля примерно на этот коэффициент. Напротив, при KNY (таблица 4) все элементы <1, что указывает на то, что наши модели переоценивают амплитуду электрического поля.Эти очень разные результаты подтверждают, что гальванические искажения - очень локальное явление.

Анализ расхождений между отдельными событиями показывает, что оценки G достаточно надежны.За исключением нескольких элементов (например, G _yx в KAK), стандартные отклонения имеют явно меньшие амплитуды, чем сами оценки. Коэффициенты детерминации относительно стабильны при различных штормах, но значительно различаются в зависимости от места и компонента. Наивысшие Rx2 и Ry2 получены для KAK; у MMB они сравнительно низкие. В этом контексте мы хотим еще раз подчеркнуть, что наш анализ основан на небольшом количестве исходных терминов низкой степени.Хотя эти термины, вероятно, могут воспроизводить вариации крупномасштабного кольцевого тока магнитосферы, они не могут полностью описать ежедневные вариации Sq , которые всегда присутствуют в данных.

На рисунках 4, 5 и 6 мы сравниваем наблюдаемое и прогнозируемое электрическое поле для магнитной бури в октябре 2003 г. (также известной как «Хэллоуинская буря») в обсерваториях KAK, KNY и MMB. Заметим еще раз, что на этих рисунках «прогнозируемое» электрическое поле задается формулой G E ^mod ( t ).Построенные временные ряды отражают различные корреляции между измерениями и прогнозами моделей в разных обсерваториях. В то время как наблюдаемое электрическое поле в KAK и KNY превосходно воспроизводится, наблюдения и прогнозы на MMB отличаются в деталях. Однако пиковые амплитуды и общая форма временного ряда также хорошо воспроизводятся на MMB.

Электронное поле в КАК. Наблюдаемое (синий) и прогнозируемое (красный) электрическое поле для магнитной бури в октябре 2003 г. (Хэллоуин).Верхняя панель: E _x ; нижняя панель: E _y .

Электронное поле в KNY. Наблюдаемое (синий) и прогнозируемое (красный) электрическое поле для магнитной бури в октябре 2003 г.

Электронное поле в MMB. Наблюдаемое (синий) и прогнозируемое (красный) электрическое поле для магнитной бури в октябре 2003 г.

Если сравнивать результаты, полученные для разных штормов, событие октября 2003 г. выделяется как в оценках G (e.г. Г _хх , G _ярдов и G _гг у КАК; Г _хх при MMB) и в коэффициентах детерминации (например, сравнительно небольшой Ry2 при KAK и Rx2 при MMB). Эти данные могут указывать на нарушение нашего предположения о том, что источник может быть описан умеренным количеством сферических гармоник низкой степени.Это могло быть связано с расширением аврорального овала далеко за пределы его обычного положения к экватору до Японии. Таким образом, для особенно сильных магнитных бурь, таких как событие октября 2003 г., точность нашего метода может быть ограничена даже в средних широтах.

Гальванические и индуктивные эффекты

В этом разделе мы исследуем важность трехмерного моделирования для нашего анализа и, в частности, решаем вопрос о том, правильно ли разделены гальванические и индуктивные эффекты. В этом разделе мы, в качестве примера, сосредоточимся на матрице искажений в KAK для шторма в октябре 2003 года.

Чтобы проверить важность 3-D моделирования, мы повторяем вышеуказанные симуляции в 1-D модели. Для глубин> 10 км эта модель эквивалентна трехмерной модели, но неоднородный верхний слой заменяется однородной оболочкой с проводимостью области вокруг конкретной обсерватории, выбранной из карты поверхностной проводимости. С помощью этой одномерной модели мы получаем для KAK и шторма в октябре 2003 г.

G1 − DKAK = −0,190,55−1,161,89,

(7)

с Rx2 = 0.23 и Ry2 = 0,24. Аналогичные результаты получены с данными других штормов; усредненные коэффициенты детерминации Rx2 = 0,46 и Ry2 = 0,47 и, следовательно, значительно меньше, чем полученные с помощью трехмерного моделирования (Rx2 = 0,84, Ry2 = 0,90, см. Таблицу 3). Предполагаемая матрица искажений, однако, не слишком отличается от полученной с помощью трехмерного моделирования:

G3-DKAK = -0,150,73-0,912,60.

(8)

Одномерное моделирование для KNY также приводит к падению Rx2 и Ry2, но более выраженным изменениям в элементах G , в то время как 1-D моделирование для MMB приводит к аналогичным коэффициентам детерминации и совершенно другой матрице искажений.Для обсерваторий дна океана мы наконец получили аналогичные коэффициенты и незначительные различия в G для одномерного и трехмерного моделирования. Это приводит к следующим выводам:

1. 1.

   В регионах, в которых структура проводимости в основном одномерная (например, Филиппинское море), трехмерное моделирование оказывает лишь незначительное влияние на результаты.

2. 2.

   В прибрежных регионах (таких как расположение всех трех обсерваторий в Японии) трехмерное моделирование имеет решающее значение для правильного прогнозирования формы временных рядов электрического поля во время магнитной бури, о чем свидетельствует хорошая корреляция между наблюдениями и прогнозами моделей.

3. 3.

   Для некоторых местоположений (например, MMB) смоделированные индуктивные и гальванические эффекты могут компенсировать друг друга в своем влиянии на вычисленное электрическое поле.Одномерное моделирование дает те же коэффициенты детерминации, что и трехмерное моделирование, но ценой неправильного разделения индуктивных и гальванических эффектов, на что указывает совершенно другая матрица искажений.

Матрица искажений для KAK была недавно также оценена Лавом и Свидинским ([2014]) с использованием данных о шторме в честь Хэллоуина в октябре 2003 года. Опубликованные результаты:

GL & SKAK = 1.330,42−0,210,06.

(9)

Мы не наблюдаем никакого сходства с нашими результатами для того же события (G3-DKAK, уравнение 8). Однако оба исследования могут надежно воспроизвести измеренные временные ряды как E _x и E _y . Действительно, Лав и Свидинский ([2014]) утверждают, что они могут воспроизвести 87% измеренных вариаций (хотя из описания не совсем понятно, как рассчитывается это значение).Мы достигаем коэффициентов детерминации 76% для E _x и 81% для E _y .

Чтобы проверить, вызваны ли различия в оцененных матрицах искажений различиями в моделях проводимости, мы еще раз повторяем наши вышеупомянутые симуляции в модели однородного полупространства с проводимостью 5,13 × 10 ⁻⁴ См / м. Эта величина была совместно оценена (вместе с матрицей искажений) Лавом и Свидинским ([2014]).С помощью этой модели для КАК и шторма октября 2003 г. получаем

Ghomog.KAK = −0,040,34−0,441,24,

(10)

с Rx2 = 0,47 и Ry2 = 0,48. Этот результат заметно отличается от G3-DKAK, но также и от GL & SKAK. Таким образом, несмотря на использование одной и той же модели проводимости, матрицы искажения, оцененные Лавом и Свидинским ([2014]), и нами не совпадают. Возможное объяснение этого разногласия — различное обращение с источником.В то время как Лав и Свидинский ([2014]), используя тензор импеданса, неявно предполагают, что источник плоских волн является обычным для МП, мы выводим реальную структуру крупномасштабного неоднородного поля источника.

На пути к предсказанию в реальном времени

Мы наконец хотим исследовать, подходит ли наш метод для предсказания электрического поля в реальном времени во время магнитных бурь. Для этого нам необходимо знать временную эволюцию поля источника до прихода бури. Это требует некоторых упрощений.Как широко известно, доминирующим источником индукции в средних широтах является симметричный кольцевой ток в магнитосфере, пространственно описываемый сферической гармоникой Y10 = cosθ, а во времени — соответствующим коэффициентом ε10. Последний может быть приблизительно связан с индексом Dst как (Olsen, Kuvshinov [2004])

с Q ~ = 0,27, являющимся поправкой первого порядка для индукционных эффектов (Langel and Estes [1985]).

Прогноз Dst возможен на основе анализа наблюдений солнечного ветра спутником Advanced Composition Explorer (ACE) в точке L1 Лагранжа (Темерин и Ли [2002]).В зависимости от скорости солнечного ветра прогнозы Dst доступны примерно за 1 час. Более того, приблизительный 6-дневный прогноз для Dst , основанный на прямых наблюдениях за Солнцем, был недавно представлен Тобиской и др. ([2013]).

В этом исследовании мы используем прогноз Dst по наблюдениям ACE для магнитной бури в октябре 2003 г. и вычисляем ε10 с помощью уравнения 11. Результат сравнивается с ε10, полученным с помощью нашего метода на нижней панели рисунка 7.Общие формы наблюдаемых и прогнозируемых временных рядов хорошо согласуются, а максимальные амплитуды также хорошо предсказаны. Смещение фазы восстановления может быть связано с использованием уравнения 11, которое не учитывает задержку по времени из-за индуктивных эффектов. Однако наиболее заметным отличием являются быстрые колебания ε10, которые присутствуют во временных рядах, полученных с помощью нашего метода, но не в тех, которые предсказываются на основе наблюдений ACE. Прогноз Dst имеет номинальное временное разрешение 10 минут, но он правильно воспроизводит характеристики только на часовых шкалах.Это также очевидно из спектров мощности, показанных на верхней панели рисунка 7. Для периодов короче нескольких часов в прогнозе Dst не хватает энергии.

Спектры мощности (верхняя панель) и временные ряды (нижняя панель) ε10 . Красный: оценка по магнитным данным обсерватории; синий: предсказано по параметрам солнечного ветра методом Темерина и Ли ([2002]).

Мы используем отклики нашей трехмерной модели, расчетную матрицу искажений для KAK (средние значения, см.Таблица 3) и прогноз ε10 Dst для расчета электрического поля в KAK во время шторма в октябре 2003 года. Результаты показаны на рисунке 8. Согласие между наблюдениями и прогнозами слабое. Правильно воспроизводятся только очень широкие особенности изменения электрического поля во время бури. Амплитуды пиков не совпадают, характерные быстрые колебания отсутствуют. Мы думаем, что это в основном связано с ограниченным временным разрешением прогноза Dst .Электрическое поле претерпевает очень быстрые колебания во время магнитных бурь, которые можно воспроизвести, только если известна временная эволюция поля источника в тех же временных масштабах.

Электронное поле в КАК — еще раз. Наблюдаемое электрическое поле (синий) и электрическое поле, предсказанное на основе прогноза Dst (красный) для магнитной бури в октябре 2003 года.

Электромагнитная индукция и закон Фарадея

Если затем намотать провод в катушку, магнитное поле значительно усиливается, создавая вокруг себя статическое магнитное поле, формирующее форму стержневого магнита, дающего отчетливые северный и южный полюсы.

Полая катушка с воздушным сердечником

Магнитный поток, развиваемый вокруг катушки, пропорционален величине тока, протекающего в обмотках катушек, как показано. Если дополнительные слои проволоки намотаны на одну и ту же катушку с тем же током, протекающим через них, напряженность статического магнитного поля будет увеличиваться.

Таким образом, напряженность магнитного поля катушки определяется амперными витками катушки. Чем больше витков провода внутри катушки, тем больше напряженность статического магнитного поля вокруг нее.

Но что, если бы мы изменили эту идею, отключив электрический ток от катушки и вместо полого сердечника мы поместили стержневой магнит внутри сердечника катушки с проволокой. Перемещая этот стержневой магнит «внутрь» и «наружу» из катушки, в катушку будет индуцироваться ток за счет физического движения магнитного потока внутри нее.

Аналогично, если бы мы удерживали стержневой магнит в неподвижном состоянии и перемещали катушку вперед и назад в магнитном поле, в катушке индуцировался бы электрический ток.Затем, перемещая провод или изменяя магнитное поле, мы можем индуцировать напряжение и ток внутри катушки, и этот процесс известен как Электромагнитная индукция и является основным принципом работы трансформаторов, двигателей и генераторов.

Электромагнитная индукция была впервые обнаружена еще в 1830-х годах Майклом Фарадеем . Фарадей заметил, что когда он перемещал постоянный магнит внутрь и из катушки или одиночной петли провода, он индуцировал электродвижущую силу или ЭДС, другими словами, напряжение, и, следовательно, создавался ток.

Итак, Майкл Фарадей открыл способ создания электрического тока в цепи с использованием только силы магнитного поля, а не батарей. Затем это привело к очень важному закону, связывающему электричество с магнетизмом, Закон электромагнитной индукции Фарадея . Так, как это работает?.

Когда магнит, показанный ниже, перемещается «к» катушке, стрелка или стрелка гальванометра, который в основном представляет собой очень чувствительный амперметр с подвижной катушкой с нулевым центром, отклоняется от своего центрального положения только в одном направлении.Когда магнит перестает двигаться и остается неподвижным по отношению к катушке, стрелка гальванометра возвращается к нулю, поскольку нет физического движения магнитного поля.

Аналогичным образом, когда магнит перемещается «от катушки» в другом направлении, стрелка гальванометра отклоняется в противоположном направлении относительно первого, указывая на изменение полярности. Затем, перемещая магнит назад и вперед по направлению к катушке, стрелка гальванометра будет отклоняться влево или вправо, положительно или отрицательно, относительно направленного движения магнита.

Электромагнитная индукция движущимся магнитом

Аналогичным образом, если магнит теперь удерживается в неподвижном состоянии и ТОЛЬКО катушка перемещается к магниту или от него, стрелка гальванометра также будет отклоняться в любом направлении. Затем движение катушки или петли через магнитное поле индуцирует в катушке напряжение, величина которого пропорциональна скорости или скорости движения.

Тогда мы можем видеть, что чем быстрее движение магнитного поля, тем больше будет индуцированная ЭДС или напряжение в катушке, поэтому для выполнения закона Фарадея должно быть «относительное движение» или движение между катушкой и магнитным полем. и либо магнитное поле, либо катушка, либо оба могут двигаться.

Закон индукции Фарадея

Из приведенного выше описания мы можем сказать, что существует взаимосвязь между электрическим напряжением и изменяющимся магнитным полем, о которой говорится в известном законе Майкла Фарадея об электромагнитной индукции: «что напряжение индуцируется в цепи всякий раз, когда существует относительное движение между проводником и проводником. магнитное поле и что величина этого напряжения пропорциональна скорости изменения магнитного потока ».

Другими словами, Электромагнитная индукция — это процесс использования магнитных полей для создания напряжения, а в замкнутой цепи — тока.

Итак, какое напряжение (ЭДС) может быть наведено в катушку, используя только магнетизм. Это определяется следующими тремя различными факторами.

• 1). Увеличение количества витков провода в катушке — за счет увеличения количества отдельных проводников, прорезающих магнитное поле, количество создаваемой наведенной ЭДС будет суммой всех отдельных витков катушки, поэтому, если есть 20 витков в в катушке будет в 20 раз больше наведенной ЭДС, чем в одном куске проволоки.
• 2). Увеличение скорости относительного движения между катушкой и магнитом — если одна и та же катушка с проволокой прошла через то же магнитное поле, но ее скорость или скорость увеличились, проволока перережет линии потока с большей скоростью, что приведет к увеличению индуцированной ЭДС. будет произведено.
• 3). Увеличение силы магнитного поля. Если ту же катушку с проволокой перемещать с той же скоростью через более сильное магнитное поле, будет возникать большая ЭДС, потому что есть больше силовых линий, которые нужно разрезать.

Если бы мы могли перемещать магнит на диаграмме выше в катушку и из нее с постоянной скоростью и на постоянное расстояние без остановки, мы бы генерировали непрерывно индуцированное напряжение, которое чередовалось бы между одной положительной полярностью и отрицательной полярностью, создавая переменную или отрицательную полярность. Выходное напряжение переменного тока, и это основной принцип работы электрического генератора, аналогичного тем, которые используются в динамо-машинах и автомобильных генераторах.

В небольших генераторах, таких как велосипедное динамо, небольшой постоянный магнит вращается под действием велосипедного колеса внутри фиксированной катушки.В качестве альтернативы, электромагнит, питаемый фиксированным напряжением постоянного тока, может вращаться внутри фиксированной катушки, например, в больших генераторах энергии, вырабатывающих в обоих случаях переменный ток.

Простой генератор с использованием магнитной индукции

Простой генератор типа динамо, представленный выше, состоит из постоянного магнита, который вращается вокруг центрального вала, с катушкой с проволокой, расположенной рядом с этим вращающимся магнитным полем. Когда магнит вращается, магнитное поле вокруг верхней и нижней части катушки постоянно меняется между северным и южным полюсами.Это вращательное движение магнитного поля приводит к тому, что в катушке индуцируется переменная ЭДС, как определено законом электромагнитной индукции Фарадея.

Величина электромагнитной индукции прямо пропорциональна плотности потока β, количеству петель, определяющих общую длину проводника, l в метрах, и скорости или скорости, ν, с которой изменяется магнитное поле внутри проводника в метрах / секунда или м / с, что выражается выражением двигательной ЭДС:

Движение ЭДС Фарадея Выражение

Если проводник не движется под прямым углом (90 °) к магнитному полю, то к приведенному выше выражению будет добавлен угол θ °, что приведет к уменьшению выходной мощности при увеличении угла:

Закон электромагнитной индукции Ленца

Закон Фарадея говорит нам, что наведение напряжения в проводник можно осуществить, пропустив его через магнитное поле или перемещая магнитное поле мимо проводника, и что если этот проводник является частью замкнутой цепи, электрический ток будет течь. .Это напряжение называется индуцированной ЭДС , поскольку оно было индуцировано в проводнике изменяющимся магнитным полем из-за электромагнитной индукции с отрицательным знаком в законе Фарадея, указывающим нам направление индуцированного тока (или полярность наведенной ЭДС).

Но изменяющийся магнитный поток создает переменный ток через катушку, которая сама создает собственное магнитное поле, как мы видели в учебнике по электромагнитам. Эта самоиндуцированная ЭДС противодействует вызывающему ее изменению, и чем выше скорость изменения тока, тем больше противоположная ЭДС.Эта самоиндуцированная ЭДС по закону Ленца будет противодействовать изменению тока в катушке, и из-за ее направления эту самоиндуцированную ЭДС обычно называют обратной ЭДС .

Закон Ленца гласит: «Направление индуцированной ЭДС таково, что она всегда будет противодействовать изменению, которое ее вызывает». Другими словами, индуцированный ток всегда будет ПРОТИВ движению или изменению, которое в первую очередь привело к возникновению индуцированного тока, и эта идея обнаруживается в анализе индуктивности.

Аналогично, если магнитный поток уменьшается, то наведенная ЭДС будет противодействовать этому уменьшению, создавая индуцированный магнитный поток, который добавляется к исходному потоку.

Закон Ленца является одним из основных законов электромагнитной индукции для определения направления потока индуцированных токов и связан с законом сохранения энергии.

Согласно закону сохранения энергии, который гласит, что общее количество энергии во Вселенной всегда будет оставаться постоянным, поскольку энергия не может быть создана или уничтожена.Закон Ленца выводится из закона индукции Майкла Фарадея.

Последний комментарий к закону Ленца об электромагнитной индукции. Теперь мы знаем, что когда существует относительное движение между проводником и магнитным полем, внутри проводника индуцируется ЭДС.

Но проводник на самом деле может не быть частью электрической цепи катушек, но может быть железным сердечником катушек или какой-либо другой металлической частью системы, например, трансформатором. Индуцированная ЭДС внутри этой металлической части системы заставляет циркулирующий ток течь вокруг нее, и этот тип тока сердечника известен как вихревой ток .

Вихревые токи, генерируемые электромагнитной индукцией, циркулируют вокруг сердечника катушек или любых соединяющих их металлических компонентов внутри магнитного поля, поскольку для магнитного потока они действуют как одиночная петля из проволоки. Вихревые токи ничего не вносят в полезность системы, но вместо этого они противодействуют потоку индуцированного тока, действуя как отрицательная сила, вызывая резистивный нагрев и потери мощности внутри сердечника. Однако существуют электромагнитные индукционные печи, в которых для нагрева и плавления ферромагнитных металлов используются только вихревые токи.

Вихревые токи, циркулирующие в трансформаторе

Изменяющийся магнитный поток в железном сердечнике вышеуказанного трансформатора будет индуцировать ЭДС не только в первичной и вторичной обмотках, но и в железном сердечнике. Железный сердечник является хорошим проводником, поэтому токи, индуцируемые в твердом железном сердечнике, будут большими. Кроме того, вихревые токи текут в направлении, которое, согласно закону Ленца, ослабляет поток, создаваемый первичной катушкой. Следовательно, ток в первичной катушке, необходимый для создания заданного поля B, увеличивается, поэтому кривые гистерезиса становятся более толстыми по оси H.

Ламинирование железного сердечника

Потери на вихревые токи и гистерезис нельзя полностью исключить, но их можно значительно уменьшить. Вместо использования твердого железного сердечника в качестве материала магнитного сердечника трансформатора или катушки магнитный путь является «ламинированным».

Эти пластинки представляют собой очень тонкие полосы изолированного (обычно покрытого лаком) металла, соединенные вместе для образования твердого сердечника. Пластины увеличивают сопротивление железного сердечника, тем самым увеличивая общее сопротивление потоку вихревых токов, поэтому индуцированные потери мощности на вихревые токи в сердечнике уменьшаются, и именно по этой причине цепь магнитного железа трансформаторов и электрические машины все ламинированы.

NWS JetStream — Как создается Lightning

Условия, необходимые для возникновения молнии, были известны в течение некоторого времени. Однако вопрос о том, как именно формируются молнии, никогда не был подтвержден, поэтому есть место для споров.

Ведущие теории сосредоточены на разделении электрического заряда и генерации электрического поля во время грозы.Недавние исследования также показывают, что лед, град и полузамороженные капли воды, известные как крупа, необходимы для развития молний. Штормы, которые не образуют большого количества льда, обычно не вызывают молний.

Прогнозировать, когда и где ударит молния, пока невозможно и, скорее всего, никогда не будет. Но, узнав о молниях и изучив некоторые основные правила безопасности, вы, ваша семья и ваши друзья сможете избежать ненужного воздействия опасностей одной из самых капризных и непредсказуемых сил природы.

Разделение зарядов

Грозы имеют очень неспокойную среду. Сильные восходящие и нисходящие потоки происходят регулярно и в непосредственной близости друг от друга. Восходящие потоки переносят маленькие жидкие капли воды из нижних областей шторма на высоту от 35 000 до 70 000 футов, на мили выше уровня замерзания.

Тем временем нисходящие потоки переносят град и лед из замерзших верхних областей шторма. Когда они сталкиваются, капли воды замерзают и выделяют тепло.Это тепло, в свою очередь, сохраняет поверхность града и льда немного теплее, чем их окружающая среда, и образуется «мягкий град» или «крупа».

Когда эта крупа сталкивается с дополнительными каплями воды и частицами льда, происходит критическое явление : электроны отрываются от восходящих частиц и собираются на нисходящих частицах. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, в результате получается грозовое облако с отрицательно заряженной базой и положительно заряженной вершиной.

Field Generation

В мире электричества противоположности притягиваются, а изоляторы препятствуют. Когда положительные и отрицательные заряды начинают разделяться внутри облака, между его вершиной и основанием создается электрическое поле. Дальнейшее разделение этих зарядов на пулы положительных и отрицательных областей приводит к усилению электрического поля.

Однако атмосфера является очень хорошим изолятором, препятствующим прохождению электрического тока, поэтому необходимо накопить ОГРОМНОЕ количество заряда, прежде чем может произойти молния.Когда этот порог заряда достигнут, сила электрического поля превосходит изоляционные свойства атмосферы, и возникает молния.

Возникает не только электрическое поле в шторме. Под отрицательно заряженной базой шторма положительный заряд начинает скапливаться на поверхности земли (см. Изображение справа).

Этот положительный заряд затеняет бурю, куда бы она ни шла, и отвечает за молнию между облаками и землей. Однако электрическое поле внутри бури намного сильнее, чем между основанием бури и земной поверхностью, поэтому большая часть молний (~ 75-80%) происходит внутри самого грозового облака.

Как возникают молнии между облаком и землей

Движущаяся гроза собирает еще одну лужу положительно заряженных частиц по земле, которые движутся вместе со штормом (изображение 1 ниже).

По мере того, как разница в зарядах продолжает увеличиваться, положительно заряженные частицы поднимают более высокие объекты, такие как деревья, дома и телефонные столбы.

Канал отрицательного заряда, называемый «ступенчатым лидером», будет спускаться от дна бури к земле (изображение 2 ниже).

Он невидим для человеческого глаза и стреляет в землю серией быстрых шагов, каждый из которых занимает меньше времени, чем требуется, чтобы моргнуть глазом. Когда отрицательный лидер приближается к земле, положительный заряд собирается в земле и в объектах на земле.

Этот положительный заряд «достигает» приближающегося отрицательного заряда своим собственным каналом, называемым «стримером» (изображение 3 ниже).

Когда эти каналы соединяются, результирующая электрическая передача — это то, что мы видим как молнию. После первоначального удара молнии, если осталось достаточно заряда, дополнительные удары молнии будут использовать тот же канал и придадут разряду мерцающий вид.

Достигните максимума! Молниеносный процесс: на шаге

Высокие объекты, такие как деревья и небоскребы, обычно поражаются молнией. Горы также являются хорошими целями. Причина этого в том, что их вершины находятся ближе к основанию грозовой тучи.

Помните, атмосфера — хороший электрический изолятор. Чем на меньшем расстоянии должна прожечь молния, тем легче ей ударить.

Однако это не всегда означает, что высокие предметы будут поражены.Все зависит от того, где накапливаются заряды.