Внешнее магнитное поле: внешнее магнитное поле — это… Что такое внешнее магнитное поле? — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Магнитное поле в веществе

Исходя из исследований, выявлено, что любое вещество может обладать основными магнитными свойствами поля. При размещении двух витков с токами в определенную среду можно проследить за изменением между этими токами. Опыт говорит о том, что индукция магнитного поля, создаваемая ими же в веществе, отличается от магнитного поля, созданного в вакууме.

Чем создается магнитное поле

Определение 1

Физическая величина, которая показывает, во сколько раз индукция магнитного поля B→ однородной массы отличается от индукции магнитного поля в вакууме B0→, называют магнитной проницаемостью μ=BB0.

О наличии магнитных свойств веществ можно судить по магнитным свойствам атомов или элементарных частиц. У нейтронов и протонов они в 1000 раз слабее, поэтому свойства определяют электронами. Важное свойство электрона – наличие электрического и собственного магнитного полей.

Определение 2

Собственное магнитное поле электрона получило название спинового (spin – вращение).

Создание магнитного поля электрона проходит за счет движения частиц по орбите вокруг ядра. Это явления сравнивается с круговым микротоком. Благодаря этому спиновые и магнитные поля отличаются большим количеством магнитных свойств.

Парамагнетики и диамагнетики

Каждое из веществ имеет ряд слабовыраженных и сильновыраженных отличительных характеристик.

Определение 3

Слабо-магнитные делят на парамагнетиков и диамагнетиков. Их отличие состоит в том, что при намагничивании магнитное поле первых направляется к внешнему полю, а поле вторых – против.

Отсюда следует, что парамагнетики μ>1, а диамагнетики μ<1.

Пример 1

При рассматривании алюминия имеем, что μ–1≈2,1ċ10–5, хлористого железа (FeCl3) μ–1≈2,5·10–3. К данному типу относят платину и другие вещества. Из диамагнетиков – медь (μ-1≈–3·10–6), воду (μ–1≈–9·10–6), висмут (μ–1≈–1,7·10–3). При размещении веществ обоих типов в неоднородном магнитном поле между полюсами электромагнита получаем, что парамагнетики втягиваются в область сильного поля, а диамагнетики выталкиваются. Подробно это изображено на рисунке 1.19.1.

Рисунок 1.19.1. Парамагнетик (1) и диамагнетик (2) в неоднородном магнитном поле.

Наличие пара- или диамагнетизма обусловлено поведением орбит на внешнем магнитом поле. Диамагнитные вещества при отсутствии внешнего поля имеются собственные магнитные и создаваемые орбитальным движением электронов поля. Они считаются скомпенсированными.

Диамагнетизм связан с действием силы Лоренца на электронные орбиты. При ее воздействии происходит изменение характера орбитального движения электронов и нарушение компенсации магнитных полей. При этом возникает собственное магнитное поле и направляется против индукции внешнего.

Атомы парамагнитных веществ отличаются тем, что имеется неполная скомпенсированность электронов. Тогда атом находится в небольшом круговом токе. Если внешнее поле отсутствует, тогда микротоки произвольны, а суммарная индукция равняется нулю. При его ориентирующем действии миктротоки действуют таким образом, что поля имеют то же направление, что и индукция внешнего поля.

Так как существует тепловое движение атомов, ориентация микротоков не может быть полной. При усилении внешнего поля возрастает ориентационный эффект, тогда индукция собственного магнитного поля растет прямо пропорционально индукции внешнего. Полная индукция состоит из индукции внешнего и собственного магнитных полей, возникающих при намагничивании.

Намагничивание парамагнетиков сравнивают с поляризацией полярных диэлектриков. Аналога для диамагнетизма среди электрических свойств вещества не существует. Диамагнитные свойства присущи атомам любых веществ. Но они могут быть замаскированы с помощью парамагнитного эффекта. Еще в 1845 г. М. Фарадеем было открыто явление диамагнетизма.

Ферромагнетики

Определение 4

Вещества, которые способны сильно намагничиваться в магнитном поле, называют ферромагнетиками.

Их магнитная проницаемость располагается в пределе 102–105.

Пример 2

Если имеется сталь с μ≈8000, тогда сплав железа с никелем получит значение μ≈250000.

Данная группа рассматривает такие элементы, как железо, никель, кобальт, галодоний. Самая большая магнитная проницаемость имеется у железа, отсюда и название группы ферромагнетиками. Они могут относится к разным сплавам с ферромагнитными элементами. В технике применяют такие известные ферромагнитные материалы, как ферриты.

Для ферромагнетиков существует определенная температура (точка Кюри), превысив которую, вещества теряют свойства магнитного поля и становятся парамагнетиками. Для железа такая точка равняется 770 градусам Цельсия, для кобальта 1130 градусов, никеля 360.

Определение 5

Ферромагнитные материалы делят на магнитно-мягкие и магнитно-жесткие.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Первые могут полностью размагничиваться при наличии нулевого внешнего магнитного поля. К таким веществам относят железо, электротехническую сталь и некоторые сплавы. Они применимы для приборов переменного тока с непрерывным перемагничиванием.

Вторые сохраняют намагниченность при удалении из магнитного поля. К таким металлам относят углеродистую сталь и специальные сплавы. Данные материалы актуальны для изготовления постоянных магнитов.

Магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость μ – величина непостоянная, причем зависит от индукции внешнего поля B0. Данная зависимость наглядно изображена на рисунке 1.19.2. Таблицы используются для приведения максимальных значений магнитной проницаемости.

Рисунок 1.19.2. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от физики индукции внешнего магнитного поля в веществе.

Непостоянство магнитной проницаемости указывает на нелинейную зависимость индукции магнитного поля B в ферромагнетике от B0внешнего магнитного поля.

Определение 6

Характерная особенность намагничивания ферромагнетиков – гистерезис, то есть ее зависимость от предыстории образца.

На рисунке 1.19.3 наглядно представлена зависимость B (B0) в виде кривой намагничивания с петлей сложной формы, называемой петлей гистерезиса.

Рисунок 1.19.3. Петля гистерезиса ферромагнетика. Стрелками указано направление процессов намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца при изменении индукции B0 внешнего магнитного поля.

Чем создается магнитное поле постоянного магнита. Намагничивание

На вышеуказанном рисунке видно, что B0>B0s говорит о магнитном насыщении, то есть достижение максимальной намагниченности образца.

При уменьшении магнитной индукции B0внешнего поля и доведения до нулевого значения ферромагнетик сохраняет остаточную намагниченность, тогда поле внутри образца будет равняться Br. Благодаря остаточной намагниченности создаются постоянные магниты.

Определение 7

Для полного размагничивания следует изменить знак внешнего поля и довести магнитную индукцию B0 до значения –B0c, называемого коэрцитивной силой.

Продолжение процесса перемагничивания указывается с помощью стрелок, как обозначено на рисунке 1.19.3.

Определение 8

Значение коэрцитивной силы B0c_{у мягко-магнитных материалов невелико, поэтому петля гистерезиса достаточно узкая. Если ее значение превышено, тогда имеется широкая петля. Эти материалы считаются магнитно-жесткими.}

Ферромагнетизм можно понять только при использовании основ квантовых представлений. Его качество определяется наличием спиновых полей электронов.

Определение 9

В кристаллах могут создаваться такие условия, при которых взаимодействие спиновых магнитных полей становится энергетически выгодным по причине параллельного размещения. Тогда внутри кристалла возникают намагниченные области размерами 10–2–10–4 см. Они получили название доменов

, каждый из которых существует как отдельный магнит.

Чем создается постоянное магнитное поле

Определение 10

Если внешнее магнитное поле направления векторов индукции магнитных полей отсутствуют, тогда домены располагаются в хаотичном порядке. Данный кристалл получил название ненамагниченного.

При наложении внешнего магнитного поля B0→ образуется смещение границ доменов с их увеличением по внешнему полю. Увеличение индукции говорит о том, что произойдет возрастание индукции намагниченного вещества.

Определение 11

Когда внешнее поле достаточно сильное, то располагаемые в нем домены с совпадающим магнитным полем по направлению с внешним, поглощают остальные домены. Это называется магнитным насыщением

Рисунок 1.19.4 явно показывает процесс намагничивания ферромагнитного образца.

Рисунок 1.19.4. Намагничивание ферромагнитного образца. (1) B0=0; (2) B0=B01; (3) B0=B02>B01.

Урок 4. магнитные свойства вещества. электроизмерительные приборы — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 4. Магнитные свойства вещества. Электроизмерительные приборы

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Магнитные свойства вещества.

2. Свойства диа-, пара- и ферромагнетиков.

3. Принцип действия электроизмерительных приборов.

Глоссарий по теме:

Магнитная проницаемость – это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.

Диамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость чуть меньше единицы. К таким веществам относятся золото, серебро, углерод, висмут.

Парамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость чуть больше единицы. Это алюминий, вольфрам, щелочные металлы, магний, платина.

Ферромагнетики – вещества у которых магнитная проницаемость много больше единицы. Это железо, никель, кобальт, и сплавы металлов.

Точка Кюри – температура, при которой ферромагнетики теряют ферромагнитные свойства.

Ферриты – ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока.

Основная и дополнительная литература по теме:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 27-30.

2.Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. С. 113.

3. ЕГЭ 2017. Физика. 1000 задач с ответами и решениями. Демидова М.Ю., Грибов В.А., Гиголо А.И. М.: Экзамен, 2017.

Теоретический материал для самостоятельного изучения.

Все вещества в окружающей нас природе в какой — то мере обладают магнитными свойствами. Ещё с глубокой древности была известна способность некоторых минералов притягивать железные предметы. Среди многих приборов навигации, необходимых для прокладывания курса кораблей или самолётов, обязательно должен быть и магнитный компас. Во многих измерительных приборах основными деталями служат постоянные магниты. Что же происходит с веществом, помещённом в магнитное поле? Вспомним, как магнитные свойства катушки, по которой течёт ток, усиливаются, если в катушку вставлен железный сердечник. Железный сердечник намного увеличивает магнитное поле в катушке с током. Мы знаем, что вокруг катушки с электрическим током возникает магнитное поле, а железный сердечник, создаёт своё магнитное поле и, согласно принципу суперпозиции полей, векторы этих двух полей складываются. Таким образом, мы наблюдаем усиление магнитного поля. Магнитную индукцию, создаваемую электрическим током, обозначим через (В₀). Магнитную индукцию поля в веществе обозначим через (В). При введении железного сердечника, появляется магнитная индукция поля, возникающая благодаря намагничиванию вещества (В₁). Эти поля складываются по принципу суперпозиции полей. В итоге мы наблюдаем, что вещество может усилить или, возможно ослабить магнитное поле. Магнитная индукция поля, создаваемого этими токами в вакууме, будет меньше, чем магнитная индукция поля в веществе.

Магнитной проницаемостью вещества называется физическая скалярная величина показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.

Французский физик Андре Мари Ампер сравнивал магнитные поля, создаваемые полосовым магнитом и проводниками с током. В итоге, Ампер выдвинул гипотезу, что внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. Круговые электрические токи – это токи, обусловленные орбитальными движениями электронов вокруг ядра.

Английский физик Майкл Фарадей исследовал влияние вещества на магнитное поле. В итоге, он определил, что все вещества изменяют магнитное поле, если их поместить во внешнее магнитное поле. Получается если вещество поместить во внешнее магнитное поле, оно становится источником своего магнитного поля. Это явление называют намагничиванием. Таким образом, Майкл Фарадей обнаружил, что вещества делятся на три группы — диа-, пара-, и ферромагнетики.

Диамагнетики – это вещества, у которых магнитная проницаемость чуть меньше единицы. К таким веществам относятся золото, серебро, углерод, висмут. Магнитная проницаемость висмута равна 0,9998. Значит, магнитное поле ослабляется, когда в него помещают это вещество В˂В_0.Это означает, что вектор магнитной индукции поля, создаваемого веществом направлен противоположно вектору магнитной индукции поля, создаваемого током.

Парамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость чуть больше единицы. Это алюминий, вольфрам, щелочные металлы, магний, платина. Эти вещества намагничиваются очень слабо, намагничиваются вдоль намагничивающего поля. Вектор магнитной индукции поля, создаваемого веществом, направлен в ту же сторону, что и вектор магнитной индукции поля, создаваемого током.

Ферромагнетики – это вещества, у которых магнитная проницаемость во много раз больше единицы. Это такие вещества как железо, кобальт, никель и сплавы металлов. Для железа магнитная проницаемость равна одна тысяча (1000).

Магнитные поля создаются ферромагнетиками не только вследствие обращения электронов вокруг ядер, но и вследствие их собственного вращения. Собственный вращательный момент (момент импульса) электрона называется спином. Согласно простейшим представлениям, электроны вращаясь вокруг собственной оси обладая зарядом, имеют, магнитное поле наряду с полем, появляющимся за счёт их орбитального движения вокруг ядер. В ферромагнетиках существуют области с параллельными ориентациями спинов, называемыми доменами; размеры доменов порядка 0.5 мкм. Параллельная ориентация спинов обеспечивает доменам минимум потенциальной энергии. Если ферромагнетик не намагничен, то ориентация доменов хаотична и суммарное магнитное поле, создаваемой доменами, равно нулю. При включении внешнего магнитного поля домены ориентируются вдоль линий магнитной индукции этого поля, и индукция магнитного поля в ферромагнетиках увеличивается, становясь в тысячи и даже миллионы раз больше индукции внешнего поля

Ферромагнитные свойства у веществ существуют только в определённой области температуры. Температура, при которой ферромагнитные материалы теряют свои ферромагнитные свойства, называют точкой Кюри по имени открывшего данное явление французского учёного Пьера Кюри. Если сильно нагреть намагниченный образец, то он потеряет способность притягивать железные предметы. Точка Кюри для железа 753 градусов по Цельсию, для кобальта 1000 градусов по Цельсию. Существуют ферромагнитные сплавы, у которых точка Кюри менее 100 градусов. Первые детальные исследования магнитных свойств ферромагнетиков были выполнены выдающимся русским физиком А.Г. Столетовым.

Большое применение получили ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока – ферриты. Это химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. К их числу относится и магнитный железняк.

Стальной или железный сердечник в катушке усиливает создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей и т. д. изготовляют из ферромегнетиков. При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остаётся намагниченным, таким образом создаёт магнитное поле в окружающем пространстве. Это объясняется тем, что домены не возвращаются в прежнее положение и их ориентация частично сохраняется. Благодаря этому существуют постоянные магниты. Постоянные магниты широко применяются в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах и т.д. Электроизмерительный прибор является необходимым устройством в связи, промышленности, на транспорте, в медицине и в научных исследованиях.

Примеры и разбор решения заданий:

1. Для каких целей применяют ферромагнитные материалы? Выберите один правильный ответ.

Варианты ответов:

1) для усиления силы тока;

2) для ослабления магнитного поля;

3) для усиления магнитного поля;

4) для ослабления силы тока.

Пояснение: ферромагнетики и ферромагнитные материалы это вещества, которые создают наиболее сильные магнитные поля.

Правильный ответ: 3) для усиления магнитного поля.

2. По графику определите магнитную проницаемость стали при индукции В₀ намагничивающего поля 1) 0,4 мТл, 2) 1,2 мТл.

Дано:

1) B₀ = 0.4 мТл

2) B₀ = 1,2 мТл

µ₁-? µ₂-?

Решение:

По определению магнитная проницаемость µ показывает, во сколько раз индукция магнитного поля В в веществе превышает индукцию намагничивающего поля В₀ в вакууме: µ =

При В₀ = 0,4 мТл по графику находим что В = 0,8 Тл, следовательно:

2) При В₀ = 1.2 мТл, по графику В = 1,2 Тл

Следовательно:

Ответ: µ₁ = 2000; µ₂ = 1000

Однородное внешнее магнитное поле в Maxwell 2D/3D

Существует несколько способов создания магнитного поля в Maxwell. Поскольку ANSYS Maxwell является полевым решателем методом конечных элементов, поля могут вычисляться либо из источников (токов или постоянных магнитов), либо граничных условий (неявные граничные условия — материалы или явные граничные условия — симметрия или внешние поля). В этой статье описано, как задавать стационарное (DC) внешнее магнитное поле как в 2D, так и в 3D, и в каких условиях оно может быть действительным.

Перечисленное справедливо и для переменных полей (AC) гармонического решателя Eddy Current, но в этом случае исходные данные для задания поля несколько сложнее, так как все значения представлены в комплексном виде (phase). Тем не менее, однородное поле задаётся относительно легко по сравнению с заданием неоднородного поля, где исходные данные поля значительно более сложные.

Использование / неправильное использование граничных условий, описанных в этой статье, потенциально может создать нефизические настройки (граничные условия могут нарушать Закон Ампера или закон нулевой дивергенции). Любое неправильное использование этих граничных условий может создать нефизическое решение, а также неблагоприятно отразится на процессе сходимости. Используйте рекомендации и инструкции этой статьи для безопасного использования граничных условий.

ANSYS Maxwell 3D

В 3D есть два вида граничных условия, которые мы будем использовать для задания однородного, внешне-приложенного магнитного поля — Tangential H Field и Zero Tangential H Field. Граничные условия могут быть назначены на плоские грани геометрического объекта. Можно представить себе эти две границы, как определяющие силу и направление поля, где ГУ Tangential H Field должно быть назначено на границах, к которым поле параллельно, а Zero Tangential H Field назначается на две крайние грани, к которым однородное поле должно быть перпендикулярным.

Однородное магнитное поле

Граничное условие Zero Tangential H Field

Для того, чтобы создать однородное поле в направлении оси Y, как на рисунке сверху, необходимо назначить граничные условия Zero Tangential H Field на грани, лежащие перпендикулярно оси +/- Y. Такое назначение определяет, что магнитный поток будет входить и покидать домен через эти грани, и поэтому поле будут расположено по-нормали к этим поверхностям.

Следующим шагом будет назначение напряженности поля на боковых гранях. Граничное условие Tangential H Field назначается по одному разу для каждой грани. В примере используется задание ГУ на грани куба, для которого должно получится четыре отдельных назначений границ. Выберите грань с нормалью в направление +Z и назначьте ГУ Tangential H Field. Меню содержит поля для ввода параметров U, V и инструменты назначения системы координат (имя границы произвольное). Задание системы координат является простым способом ориентации магнитного поля. Самый простой способ — всегда назначать «U Vector» в направлении поля, а «V Vector» с нулевой амплитудой перпендикулярно ему (амплитуда поля будет задана полностью по «U Vector»). Например, можно указать «U-амплитуду» в 1e6 A/m, а «V-амплитуда» останется равной нулю. В ниспадающем списке «U Vector» выберите «New Vector…» для графического определения вектора на выбранной грани параллельного полю (выбор двух точек, определяющих направление вектора). «U magnitude» может быть определена как переменная Maxwell, что позволит изменять возбуждение в параметрическом расчёте — более подробное обсуждение переменных будет ниже.

Граничное условие Tangential H Field

При выборе точек на гранях, помните, что привязка треугольник появляется при наведении курсора на середину ребра, а квадрат при наведении на вершину (угол). Можно использовать любую комбинацию точек, если вектор лежит на нужной грани и указывает на направление приложенного поля. Направление «V Vector» не важно, так как «V magnitude» равна нулю по определению. При сочетании величины поля и указанного направления вектора внешнее поле правильно определено на лице. Правильным заданием этого ГУ считается указание амплитуды внешнего поля и его направления на параллельной грани.

Задание направления внешнему полю

Для остальных трех граней куба необходимо повторить задание границ Tangential H Field. Каждая граница определяется той же «U magnitude» и нулевой «V magnitude». Вектор системы координат определяется так, что каждый «U vector» на каждой новой грани параллелен и направлен в сторону приложенного поля. Направление «V Vector» для любой системы координат не имеет значения, поскольку величина поля в этом направлении равна нулю.

Задание координатных систем на оставшиеся грани

Ниже показано как должна выглядеть вкладка Boundary Conditions, когда все необходимые граничные условия назначены на грани куба, в этом случае имена ГУ оставлены по умолчанию. Четыре отдельных граничных условий возбуждения Tangential H Field определяют величину поля и его направление относительно сторон домена. Граничное условие Zero Tangential H Field назначается на переднюю и заднюю грани куба, определяет нормаль поля (это может быть выполнено в рамках одного назначения, содержащего обе поверхности, или двумя отдельными определениями границ для каждой грани).

Дерево проекта с назначенными граничными условиями

Одним из ключевых аспектов возбуждения, который правильно определяет однородное магнитное поле, является использование граничных условий Tangential H Field и Zero Tangential H Field, которые позволяют магнитному потоку входить и выходить из домена, тогда как граничные условия по умолчанию заставляют магнитный поток оставаться в нем. Другим ключевым аспектом этого возбуждения является задание направления поля от источника потока к его стоку (в направлении от одной границы Zero Tangential H к другой) вместо того, чтобы использовать возбуждение с циркулирующим потоком к сторонам границы. Для циркуляционного потока потребуется правильно масштабированный источник тока, проходящий через домен для поддержки заданного уровня потока на границах.

Ранее была назначена «U-амплитуда» в 1e6 A/m, которое в вакууме дает плотность магнитного потока (B-поле) 1.2566 T (0.4*π), причем не зависящую от размеров геометрического домена. Если амплитуда задаётся переменной, то нет смысла определять единицы значения, по умолчанию назначаются [A / м]. Обратите внимание, что выражение для назначаемой величины поля в 3D не может быть функцией положения (только в 2D при использовании границ векторного потенциала).

Maxwell 2D XY

В Maxwell 2DXY то же внешнее поле может быть создано с использованием двух граничных условий Vector Potential. В руководстве Maxwell есть очень хорошие технические замечания о 2D Vector Potential — пожалуйста, используйте эту информацию. Это назначение зависит от масштабов геометрического домена, поэтому мы будем исходить из 3D-примера с размерами кубической области с длиной сторон 20 мм.

В 2D выбирается постановки задачи 2DXY и тип решения магнитостатика (опять же, моделирование в Eddy Current почти одинаково для однородного поля и немного сложнее для неоднородных полей). Домен представляет собой квадрат с длиной сторон 20 мм, и мы снова зададим направление поля, указывающее на положительное Y-направление. На сторону отрицательной X-стороны назначается векторный потенциал со значением в виде выражения «1e6*u0*0.02» weber/m. На противоположную сторону, положительную X-сторону, назначим векторный потенциал со значением 0 weber/m. Мы оставляем стороны +/- Y не назначенными, что позволяет векторному потенциалу «естественно» изменяться между двумя назначенными сторонами.

Назначение граничного условия Vector Potential на противоположные стороны расчётной области

Напряженность поля 1e6 A/m соответствует значению, которое мы использовали в 3D примере, а «uO» представляет собой магнитную проницаемость вакуума (μ), которая нужна для перехода от единиц A/m в Tesla (webers/m2). Число 0,02- это расстояние (в метрах) между двумя назначениями векторного потенциала и, следовательно, для данной величины H-поля — это определение векторного потенциала является функцией геометрического масштаба границ. Результаты показывают, что линии магнитного потока движутся в направлении Y и линейно масштабируются вдоль направления X. B-поле имеет постоянное значение в положительном Y-направлении и точно соответствует 3D-случаю.

Линии магнитного потока и однородное магнитное поле B

В решателе EddyCurrent в 2DXY возможно назначить одну положительную и одну отрицательную границы потенциала с половиной от общей величины на противоположных сторонах домена моделирования. Такое назначение оказывает различное влияние на индуцированные токи, поскольку оно создает меньшее общее изменение векторного потенциала в электрическом цикле.

Граница векторного потенциала может быть функцией положения (X, Y, Phi и R — все допустимые переменные в этом контексте, где Phi и R относятся к цилиндрическим координатам}. Помните, что все эти переменные относятся к глобальной системе координат.

Maxwell 2D RZ

В 2DRZ используется та же концепция, как и в 2DXY, но уравнения немного отличаются. Существует также техническая заметка о 2D Vector Potential границе в помощи Максвелла. В моделях 2DRZ векторный потенциал представляет собой величину r*Aphi. Векторный потенциал в точке в постановке 2DRZ может быть непосредственно связан с полным потоком, заключенным в петле, описываемой этой точкой вокруг оси Z. Если мы имеем однородное поле (B₀ = μ₀*H₀) вдоль Z-оси, определенной от R = 0 до R = R0, то полный поток, заключенный в радиус R₀, будет B₀*π*R₀² = A₀*2π*R₀ или другим способом, R₀*A₀ = 0,5*B₀*R₀² (предполагаем, что A = 0 на оси Z).

В этом примере мы рассмотрим кольцевую область от R1 = 10 мм до R2 = 20 мм и с постоянным полем в Z-направлении H₀ = 1e6 A/m (B₀ = 1,2566T).2, где 0,02 относится к внешнему радиусу 20 мм выраженному в метрах. Назначения возбуждения будут выглядеть следующим образом:

Назначение граничного условия Vector Potential на границы расчётной области в M2DRZ.

В результате мы имеем векторный потенциал (r*Aphi), когда вертикальные линии потока изменяются радиально. Плотность потока почти 1,2566T, а напряженность поля 1e6A/m.

Однородное магнитное поле, заданное ГУ Vector Potential

В 2DRZ граница векторного потенциала может быть функцией положения (Z и R (или эквивалентно X) — все допустимые переменные в этом контексте}. Все переменные относятся к глобальной системе координат.

Создание однородного магнитного поля катушками Гельмгольца

Третий способ создания однородного магнитного поля заключается в использовании катушек в определенной конфигурации, таких как катушка Гельмгольца или длинный соленоид. Метод создания поля катушками Гельмгольца рассматривается как сравнение и проверка применяемых до сих пор методов граничных условий. Подробное описание можно найти в статье Википедии на тему катушки Гельмгольца. В этом примере мы попытаемся создать однородное поле в расчётной области в виде куба, как и в предыдущих примерах, со стороной 20мм. Для этого создаётся пара катушек с радиусом и расстоянием между ними в 50мм. Необходимо расширить расчётную область до 1000мм с каждой стороны. На изображении видно, что катушки центрированы относительно 20мм области почти постоянного поля, ориентированные вдоль оси Y, так что поле также ориентировано в правильном направлении.

Катушки Гельмгольца для создания однородного поля в кубическом домене.

Используя формулы Википедии, мы находим эквивалентное возбуждение катушек, необходимое для создания однородного поля между ними 1e6 A/m (1.2566 T): 1e6 *0.05*(5/4) ^3/2 = 69877 ампер-витков. 0,05 — радиус катушек и расстояние между ними в метрах. На векторном графике мы видим, что поле в значительной степени однородно и ориентировано в направлении оси Y. В центральной 20мм кубической области поле изменяется 1,2529-1,2570T.

Однородное поле, созданное катушками Гельмгольца

Построение амплитуды магнитной индукции в точках, лежащих вдоль оси через весь домен, позволяет сравнить результаты моделирования с аналитическими результатами. График ниже слева построен в логарифмической шкале для величины поля и отображает поведение поля вдоль всей оси. В центральной области есть хорошее совпадение, но результаты моделирования отклоняются вблизи границ расчётной области (хотя это логарифмический формат и такими незначительными расхождениями можно пренебречь). На приведенном ниже справа рисунке результаты сравниваются по шкале линейных величин только в центральной области. В частности, интересующая 20мм кубическая область занимает лишь половину оси X и поле значительно меньше изменяется по оси Y.

Сравнение аналитического расчёта и моделирования

Заключение о создании однородного магнитного поля

Мы рассмотрели 3 варианта моделирования в 2D и 3D для создания однородных внешних магнитных полей, которые требуют трех различных методов назначения поля. Результаты во всех случаях хорошо согласуются, но при использовании соответствующих настроек. Можно отметить, что размерность задачи значительно снижается при использовании граничных условий, 20мм кубическая область вместо 1-метровой. Существуют и другие методы для создания однородных полей, которые используют комбинацию катушек и граничных условий, например, осевой соленоид с граничными условиями симметрии на крайних витках.

В 2D или 3D мы можем разместить объекты внутри домена с внешним однородным магнитным полем для исследования их взаимодействия. Объекты должны быть достаточного малого размера по отношению к размеру домена, чтобы их индуцированные поля не взаимодействовали с граничными условиями. Нет общего правила для необходимого объема пространства между объектами и границами, потому что индуцированные поля сильно зависят от свойств материалов, но обычно индуцированные поля реагируют как диполь, ориентированный в основном параллельно направлению внешнего поля, а магнитные дипольные поля затухают как 1/R³ (в 2D поля являются линейным диполем, который уменьшается значительно медленнее 1/R).

Чтобы повернуть ориентацию объектов/полей, возможно либо зафиксировать поле неподвижным и вращать объект, либо держать объект неподвижным и вращать поле. Оба метода эквивалентны и позволяют исследовать взаимодействие под разными углами внешнего поля, в которой размещен объект. Назначение вращения может быть выполнено с помощью переменной, все остальные необходимые данные будут вычислены автоматически в зависимости от угла падения поля.

Возможны и более сложные внешние магнитные поля. Следует придерживаться всех перечисленных рекомендаций, и при задании граничных условий не нарушать Закон Ампера или закон нулевой дивергенции.

Какие вещества усиливают магнитное поле

ВЕЩЕСТВО В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Все вещества, помещённые в магнитное поле, намагничиваются в той или иной мере, то есть сами поддерживают (парамагнетики), ослабляют (диамагнетики) или даже усиливают (ферромагнетики) внешнее магнитное поле.

Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из немногих веществ.

При помещении в магнитное поле вещества в нем происходят процессы ориентации различных структур, обладающих дипольным магнитным моментом. Так электроны, перемещаясь по орбитам, образуют элементарные токи и соответствующие магнитные поля или магнитные диполи . Кроме этого, электроны создают магнитный момент за счет вращения вокруг собственной оси, называемый спиновым магнитным моментом.

Магнитный диполь можно характеризовать вектором магнитного момента , численно равным произведению величины элементарного тока на площадь контура, ограниченного этим током в пространстве

и направленным по нормали к площади контура.

Геометрическая сумма всех магнитных моментов образует магнитный момент тела

Отношение магнитной индукции В поля в данной среде к магнитной индукции В в вакууме, характеризует магнитные свойства данной среды и называется магнитной проницаемостью вещества µ .

По значению µ все вещества делятся на три группы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.

ДИАМАГНЕТИКИ

ПАРАМАГНЕТИКИ

ФЕРРОМАГНЕТИКИ

µ > 1

µ >> 1

Ослабляют магнитное поле катушки с током

Почти не изменяют магнитное поле катушки с током

Усиливают магнитное поле катушки с током

вода (0,999991)

воздух (1,00000038)

кобальт (175 раз)

медь (0,9999897)

платина (1,000250)

никель (1 120 раз)

стекло (0,9999897)

титан (1,000180)

сталь трансформаторная (8000 раз)

Чем создается магнитное поле

Физическая величина, которая показывает, во сколько раз индукция магнитного поля B → однородной массы отличается от индукции магнитного поля в вакууме B 0 → , называют магнитной проницаемостью μ = B B 0 .

Собственное магнитное поле электрона получило название спинового (spin – вращение).

Парамагнетики и диамагнетики

Каждое из веществ имеет ряд слабовыраженных и сильновыраженных отличительных характеристик.

Отсюда следует, что парамагнетики μ > 1 , а диамагнетики μ 1 .

При рассматривании алюминия имеем, что μ – 1 ≈ 2 , 1 ċ 10 – 5 , хлористого железа ( F e C l 3 ) μ – 1 ≈ 2 , 5 · 10 – 3 . К данному типу относят платину и другие вещества. Из диамагнетиков – медь ( μ – 1 ≈ – 3 · 10 – 6 ) , воду ( μ – 1 ≈ – 9 · 10 – 6 ) , висмут ( μ – 1 ≈ – 1 , 7 · 10 – 3 ) . При размещении веществ обоих типов в неоднородном магнитном поле между полюсами электромагнита получаем, что парамагнетики втягиваются в область сильного поля, а диамагнетики выталкиваются. Подробно это изображено на рисунке 1 . 19 . 1 .

Рисунок 1 . 19 . 1 . Парамагнетик ( 1 ) и диамагнетик ( 2 ) в неоднородном магнитном поле.

Ферромагнетики

Вещества, которые способны сильно намагничиваться в магнитном поле, называют ферромагнетиками.

Их магнитная проницаемость располагается в пределе 10 2 – 10 5 .

Если имеется сталь с μ ≈ 8000 , тогда сплав железа с никелем получит значение μ ≈ 250000 .

Ферромагнитные материалы делят на магнитно-мягкие и магнитно-жесткие.

Магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость μ – величина непостоянная, причем зависит от индукции внешнего поля B 0 . Данная зависимость наглядно изображена на рисунке 1 . 19 . 2 . Таблицы используются для приведения максимальных значений магнитной проницаемости.

Рисунок 1 . 19 . 2 . Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от физики индукции внешнего магнитного поля в веществе.

На рисунке 1 . 19 . 3 наглядно представлена зависимость B ( B 0 ) в виде кривой намагничивания с петлей сложной формы, называемой петлей гистерезиса.

Рисунок 1 . 19 . 3 . Петля гистерезиса ферромагнетика. Стрелками указано направление процессов намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца при изменении индукции B 0 внешнего магнитного поля.

Чем создается магнитное поле постоянного магнита. Намагничивание

На вышеуказанном рисунке видно, что B 0 > B 0 s говорит о магнитном насыщении, то есть достижение максимальной намагниченности образца.

При уменьшении магнитной индукции B 0 внешнего поля и доведения до нулевого значения ферромагнетик сохраняет остаточную намагниченность, тогда поле внутри образца будет равняться B r . Благодаря остаточной намагниченности создаются постоянные магниты.

Для полного размагничивания следует изменить знак внешнего поля и довести магнитную индукцию B 0 до значения – B 0 c , называемого коэрцитивной силой.

Продолжение процесса перемагничивания указывается с помощью стрелок, как обозначено на рисунке 1 . 19 . 3 .

Значение коэрцитивной силы B 0 c у мягко-магнитных материалов невелико, поэтому петля гистерезиса достаточно узкая. Если ее значение превышено, тогда имеется широкая петля. Эти материалы считаются магнитно-жесткими.

В кристаллах могут создаваться такие условия, при которых взаимодействие спиновых магнитных полей становится энергетически выгодным по причине параллельного размещения. Тогда внутри кристалла возникают намагниченные области размерами 10 – 2 – 10 – 4 с м . Они получили название доменов, каждый из которых существует как отдельный магнит.

Чем создается постоянное магнитное поле

При наложении внешнего магнитного поля B 0 → образуется смещение границ доменов с их увеличением по внешнему полю. Увеличение индукции говорит о том, что произойдет возрастание индукции намагниченного вещества.

Рисунок 1 . 19 . 4 явно показывает процесс намагничивания ферромагнитного образца.

Рисунок 1 . 19 . 4 . Намагничивание ферромагнитного образца. ( 1 ) B 0 = 0 ; ( 2 ) B 0 = B 01 ; ( 3 ) B 0 = B 02 > B 01 .

Все вещества, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитные свойства, то есть намагничиваются и поэтому изменяют внешнее магнитное поле.

1. Диамагнетики – это вещества, ослабляющие магнитное поле их магнитная проницаемость меньше единицы ( ). Такими веществами являются – фосфор, сера, сурьма, углерод, многие металлы (Bi, Hg, Au, Cu и др.), большинство химических соединений (H₂O и почти все органические соединения).

2. Парамагнетики – это вещества, усиливающие внешнее магнитное поле их магнитная проницаемость больше либо равна единице ( ). Парамагнетиками являются: газы, например, кислород и азот; металлы – алюминий, вольфрам, платина, щелочные и щелочноземельные. В группу парамагнетиков входят ферромагнетики – это вещества, которые очень сильно усиливают внешнее магнитное поле ( ). Ферромагнетики – это железо, никель, кобальт, диспрозий, сплавы и окислы этих металлов, некоторые сплавы марганца и хрома.

В атомах и молекулах любого вещества есть круговые токи электронов по атомным орбиталям – это орбитальные токи. Каждый такой ток создает микроскопическое магнитное поле с соответствующим магнитным моментом – орбитальный магнитный момент. Кроме того, каждый электрон обладает собственным или спиновым магнитным моментом. Собственным магнитным моментом обладает и ядро атома. Геометрическая сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов и собственного магнитного момента ядра образует магнитный момент атома (молекулы) вещества.

У диамагнетиков суммарный магнитный момент атома (молекулы) равен нулю. Однако под влиянием внешнего магнитного поля у этих атомов (в результате явления электромагнитной индукции) индуцируется магнитный момент, направленный всегда противоположно внешнему магнитному полю. В результате диамагнитная среда намагничивается и создает собственное поле противоположное внешнему магнитному полю. Происходит это так: под влиянием внешнего магнитного поля плоскости электронных орбит начинают прецессировать вокруг силовой линии магнитного поля проходящей через ядро атома. Это движение эквивалентно круговому току. Так как этот ток индуцирован внешним полем, то, согласно правилу Ленца, его собственное магнитное поле и магнитный момент направлены противоположно внешнему полю. Намагниченность диамагнетика сохраняется пока есть внешнее поле.

У атома (молекулы) парамагнитного вещества орбитальные, спиновые и ядерные моменты не компенсируют друг друга. Поэтому атомы парамагнетика всегда обладают магнитными моментами и являются элементарными магнитами. Но магнитные моменты этих магнитиков разупорядочены и парамагнитная среда, в целом, не обнаруживает магнитных свойств. Внешнее магнитное поле создает преимущественное направление внутреннего поля, поворачивая магнитные моменты атомов в своем направлении. При отключении внешнего магнитного поля тепловое движение молекул сразу же разрушает ориентацию атомных магнитных моментов. В парамагнетиках есть и диамагнитный эффект, но он не заметен на фоне более сильного парамагнитного эффекта.

Таким образом, напряженность магнитного поля в веществе будет равна геометрической сумме напряженности внешнего магнитного поля (Н) и магнитного поля возникающего при намагничивании вещества (ΔН): , где (+) – парамагнитная среда, а (–) – диамагнитная среда. Иначе можно записать , , т.е. магнитная проницаемость сре ды показывает во сколько раз изменяется напряженность магнитного поля, существовавшего в пустоте, если пространство, охваченное этим полем заполняется средой.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9398 – | 7310 – или читать все.

Моделирование отклика микроферрогеля на внешнее магнитное поле

Александр Владимирович Рыжков Институт механики сплошных сред УрО РАН; Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Юрий Львович Райхер Институт механики сплошных сред УрО РАН; Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Ключевые слова: феррогель, магнитные наночастицы, молекулярная динамика, численное моделирование

Аннотация

Метод крупнозернистой молекулярной динамики использован для изучения микроферрогеля — малого полимерного объекта, содержащего наночастицы магнитоактивного наполнителя. Хотя приложенное магнитное поле непосредственно воздействует только на частицы, но, благодаря их связи с полимером, структурные и механические изменения происходят во всём композите. Изучение этих изменений актуально в связи с широко обсуждаемыми возможностями применения микроферрогелей как дистанционно управляемых микроконтейнеров для доставки биоактивного содержимого или лекарств. В работе предложена и реализована численная модель, позволяющая детально анализировать стационарные состояния отдельного микроферрогеля, взвешенного в нейтральном растворителе. Исследовано влияние концентрации наночастиц и их магнитных характеристик (величины магнитного момента, степени магнитной одноосной анизотропии, параметра диполь-дипольной связи) на структурирование частиц в отсутствие внешнего поля и на эволюцию этих структур при наличии поля. Показано, что цепочечные кластеры являются фактически единственным типом агрегатов, возникающих в микроферрогеле, однако то, как они отразятся на поведении полимерной подсистемы, существенно зависит как от типа магнитной анизотропии частиц, так и от концентрации магнитной фазы. Это, в свою очередь, приводит к отличающимся друг от друга сценариям механического отклика микроферрогеля на внешнее магнитное возбуждение и по-разному сказывается на изменении объёма содержащегося в нём растворителя.

Литература

Li Y. et al. Magnetic hydrogels and their potential biomedical applications // Adv. Funct. Mater. – 2013. – Vol. 23, no. 6. – P. 660-672. DOI

Golovin Yu. I. et al. Towards nanomedicines of the future: Remote magneto-mechanical actuation of nanomedicines by alternating magnetic fields // J. Control. Release. – 2015. – Vol. 219. – P. 43-60. DOI

Turcu R. et al. Magnetic microgels, a promising candidate for enhanced magnetic adsorbent particles in bioseparation: synthesis, physicochemical characterization, and separation performance // Soft Matter.– 2015. – Vol. 11, no. 5. – P. 1008-1018. DOI

Sanchez L. M., Alvarez V. A., Gonzalez J. S. Ferrogels: Smart materials for biomedical and remedation applications // Handbook of Composites from Renewable Materials. (eds. Thakur V. K., Thakur M. K., Kessler M. R.) – Scrivener Publishing LLC, 2017. – Vol. 8. Nanocomposites: Advanced Applications. – P. 561-580. DOI

Weeber R., Kantorovich S., Holm C. Ferrogels cross-linked by magnetic nanoparticles—Deformation mechanisms in two and three dimensions studied by means of computer simulations // J. Magn. Magn. Mater. – 2015. – Vol. 383. – P. 262-266. DOI

де Жен П. Идеи скейлинга в физике полимеров.– М.: Мир, 1982. – 368 с.

Weeks J.D., Chandler D., Andersen H.C. Role of repulsive forces in determining the equilibrium structure of simple liquids // J. Chem. Phys.– 1971. – Vol. 54, no 12. – P. 5237-5247. DOI

Wood D.S., Camp P.J. Modeling the properties of ferrogels in uniform magnetic fields // Rev. E.. – 2011. – Vol. 83, no 1. – P. 11402. DOI

Weeber R., Kantorovich S., Holm C. Ferrogels cross-linked by magnetic particles: Field-driven deformation and elasticity studied using computer simulations // J. Chem. Phys.. – 2015. – Vol. 143, no 15. – P. 154901. DOI

Ryzhkov A. V. et al. Structure organization and magnetic properties of microscale ferrogels: The effect of particle magnetic anisotropy // J. Chem. Phys. – 2016. – Vol. 145, no 7. – P. 74905. DOI

Berendsen H.J.C. et al. Molecular dynamics with coupling to an external bath // J. Chem. Phys. – 1984. – Vol. 81, no 8. – P. 3684–3690. DOI

http://espressomd.org/wordpress / (дата обращения 29.03.2018)

Ryzhkov A.V., Raikher Y.L. Structural changes in microferrogels cross-linked by magnetically anisotropic particles // J. Magn. Magn. Mater. – 2017. – Vol. 431, no.1. – P. 192–195. DOI

https://fenicsproject.org / (дата обращения 29.03.2018)

Использование внешних материальных моделей для магнитного моделирования

Описание магнитного поведения имеет решающее значение при проектировании магнитных устройств, содержащих ферромагнитные материалы. Различные материалы (или тот же материал, подвергнутый определенной обработке) могут по-разному реагировать на одно и то же воздействие, поэтому неправильное определение параметров может привести к неисправности или ошибке в работе устройства. Начиная с версии 5.2, в среде COMSOL Multiphysics® реализована расширенная поддержка для описания магнитных материалов и заложена возможность доступа к моделям материалов с помощью внешних процедур. Мы покажем, каким образом эта новая функциональная возможность настраивается в случае наличия гистерезиса, и проанализируем существующие возможности для моделирования ферромагнитных материалов.

Методы задания моделей магнитных материалов

В среде COMSOL Multiphysics вам доступны множество различных материальных уравнений для описания свойств магнитных материалов во всех предлагаемых формулировках (физических интерфейсах), как-то: Magnetic Fields, No Currents (Магнитные поля в отсутствие токов); Magnetic Fields (Магнитные поля); Magnetic and Electric Fields (Магнитные и электрические поля); и Magnetic Field Formulation (Формулировка магнитного поля). Иногда их называют Vm, A, A-V, и T формулировками, соответственно.

Когда новая область с магнитными свойствами добавляется к интерфейсу, программное обеспечение COMSOL® по умолчанию предполагает, что она однозначно характеризуется одной единственной величиной: относительной магнитной проницаемостью. Такой подход адекватно описывает большинство диамагнитных или парамагнитных материалов, поскольку их относительная магнитная проницаемость близка к единице. Определение только лишь относительной магнитной проницаемости также может оказаться достаточным для описания мягких ферромагнетиков, просто при этом вводимая величина будет большей. Если указанное описание проницаемости не охватывает специфические особенности материала, среда COMSOL Multiphysics предлагает специальные возможности для определения материала напрямую:

Задание H-B или B-H кривых, представленных в виде табличных данных для каждого конкретного материала. Модуль AC/DC содержит библиотеку из 160+ материалов с представленными в таком виде кривыми B-H/Н-В.
Модели материала Remanent flux density (Остаточная магнитная индукция) и Magnetization (Намагниченность), которые важно использовать при рассмотрении жестких ферромагнетиков (т.е. постоянных магнитов) и гистерезиса. В данном топике, мы сосредоточимся на намагниченности.

Аналогично относительной магнитной проницаемости, другие величины также могут иметь произвольные определения и быть связаны с соответствующей динамической моделью. Например, намагниченность может быть ассоциирована с решением дополнительного уравнения в частных производных. Пример такой связи показан в реализации модели гистерезиса Джилса-Атертона (Jiles-Atherton) в модели Моделирование векторного гистерезиса для версий COMSOL до 5.2a (в COMSOL версии 5.2a добавлена предопределенная модель векторного гистерезиса Hysteresis Jiles-Atherton model).

Результаты для магнитной индукции, полученные в указанной пользовательской модели Векторного гистерезиса.

Как поступить, если в модель вашего материала включены нелинейные выражения, которые невозможно или очень трудно выразить в терминах обычных переменных или дополнительных дифференциальных уравнений в частных производных (PDEs)? Версии среды COMSOL Multiphysics, начиная с 5.2, предоставляет пользователям новый способ для определения внешней модели магнитного материала. С помощью данной функции теперь можно интегрировать в ваш электромагнитный расчет любую модель материала Давайте рассмотрим подробнее возможности данной функции…

Новый инструмент External Material для задания внешних моделей материала

При настройке модели материала B-H curve и H-B curve теперь появилась возможность ассоциировать магнитные свойства конкретной области со внешним материалом. Среди последних, доступны два типа, которые относятся к магнетизму:

General B(H) relation (Общее соотношение B(H))
General H(B) relation (Общее соотношение H(B))

Первый вариант подходит для интерфейсов Magnetic Fields, No Currents и Magnetic Field Formulation, а второй применим для интерфейса Magnetic Fields, а также Magnetic and Electric Fields. Таким образом, среда COMSOL Multiphysics обеспечивает поддержку данной функции для всех магнитных интерфейсов.

Имеется несколько причин, из-за которых требуются два различных, но взаимосвязанных соотношения. В интерфейсах Magnetic Fields, No Currents и Magnetic Field Formulation, вы выполняете расчеты относительно магнитного поля H в качестве переменной. Внешний материал будет выдавать значение магнитной индукции, B, в зависимости от величины магнитного поля. В интерфейсах Magnetic Fields и Magnetic and Electric Fields вы выполняете расчеты относительно переменной B — магнитной индукции. Таким образом, материальное уравнение связи должно выдавать H, как функцию B.
Обратите внимание, что начиная с версии 5.4 программа самостоятельно пересчитывает данные одной зависимости в другую.

При задании формулировки для вычисления данных материала, среда COMSOL Multiphysics будет вызывать т.н. родные функции из общей библиотеки, указанные на уровне внешнего материала. Библиотека может представлять собой (для операционной системы Windows®) динамически подключаемую библиотеку DLL.

Вы можете запускать модели на операционных системах Linux® и Mac OS X при соответствующей компиляции.

Это действие может быть результатом компиляции исходного кода C. Исходный код может содержать дополнительные переменные состояния, которые вы определяете в среде COMSOL Multiphysics. Эти переменные состояния, включая намагниченность, делают возможным взаимодействие между библиотекой материалов и конечно-элементной моделью. Запрограммированная динамика может быть произвольной, так что на каждой итерации, намагниченность и самосогласованное магнитное поле и индукция могут эволюционировать в соответствии с заданной особой моделью гистерезиса.

Еще одно преимущество использования исходного кода состоит в том, что вы сможете распространять свои модели среди коллег и клиентов с большей безопасностью и легкостью. С помощью Среды разработки приложений, вы даже сможете создавать интуитивно понятные приложения, которые позволят интегрировать функции вашего внешнего материала и позволят вашим коллегам и клиентам увидеть результаты. Вы также можете скрыть технические подробности модели материала от посторонних, что идеально подходит для приложений, когда доступ к некоторым деталям о магнитном материале должен быть ограничен, например, в случаях микромагнетизма, магнитной антиконтрафактной краски для банкнот, и военных устройств для размагничивания.

Военно-морское судно размагничивается на пирсе безобмоточного размагничивания.

Функции материала могут быть также написаны на других языках программирования, позволяя вам удобным образом использовать унаследованный код вместо кода на языке C.

Внедрение новой функциональности в практику

Чтобы показать вам, как работает новая функция для описания намагниченности, мы добавили в нашу Галерею моделей и приложений учебную модель под названием Внешний материал, Модуль AC/DC, Общие H-B/B-H-соотношения. Пример включает в себя файл модели, файл исходного кода на C и файл разделяемой динамически связываемой библиотеки DLL, который скомпилирован и связан с 64-разрядной операционной системой Windows®. В этом примере, мы объясним, как использовать внешний материал для воспроизведения того, что происходит, когда вы задаете кривую B-H “из материала (from material)”, используя материал Мягкое железо в модуле АС/DC.

Для объяснения переменной состояния, которая может быть определена во внешних материалах, мы остановимся на случае, в котором присутствуют следующие гистерезисные эффекты и особенности:

Переменная состояния внешнего материала, M, задает локальную намагниченность.
Формулировка Magnetic Fields, No Currents. Таким образом, внешний материал вычисляет магнитную индукцию B, как функцию магнитного поля H и М. В данном конкретном случае, B = \mu_0(H + M).
Динамика намагниченности, которая вряд ли могла бы быть задана без использования кода.

Для начала рассмотрим скалярный 1D-случай, а затем уже расширим наш пример на общий 3D векторный случай. В 1D нам потребуется только х-компонента намагниченности, магнитного поля и магнитной индукции. Они обозначаются, как M, Hx и Bx, соответственно. Нам также нужно знать намагниченность и магнитное поле на последнем сошедшемся шаге, обозначим их как oldHx и oldM, соответственно.

Динамика намагниченности М тогда включает в себя:

Изменение M, пропорционально изменению напряженности магнитного поля с константой пропорциональности, xi. M = oldM + xi * (Hx – oldHx).
Модуль намагниченности не может превышать определенного значения, Ms. Если abs(M) > Ms, тогда M = Ms * sign(M).
Уменьшение происходит, только если материал не насыщен или, если он насыщен, а локальная индукция противоположна по знаку локальной намагниченности.

Такую динамику было бы довольно трудно реализовать с помощью PDE-интерфейса, в особенности из-за использования условных операторов. Но, как показано на рисунке ниже, это можно легко выполнить с помощью нескольких простых инструкций.

Блок-схема и соответствующий код на C для реализации 1D скалярной модели гистерезиса.2} при насыщении (\delta_{ij} — дельта-символ Кронеккера). В 1D, значимым является только первый компонент Jac (Якобиана). Его значение \text{ (1+xi)*}\mu_0 вне насыщения и \mu_0 при насыщении. Определение Jac (Якобиана) включено, как в 1D скалярный, так и в 3D векторный коды.

Давайте посмотрим на некоторые результаты из этой модели. Сначала рассмотрим 1D-случай, когда однородное синусоидальное магнитное поле прикладывается к изначально не намагниченному образцу магнитного материала. Результаты для намагниченности приведены на графике ниже.

Результаты для 1D-скалярной модели. Зеленая линия обозначает приложенное внешнее магнитное поле, а синяя линия, с отмеченными на ней расчетными точками, показывает намагниченность.

Соответствующий вектор магнитной индукции вместо этого опишет траекторию в плоскости B-H, показанную ниже.

1D-скалярная модель, демонстрирующая динамику магнитной индукции, B, в зависимости от внешнего прикладываемого магнитного поля, Н, в течение синусоидального цикла. Начальная точка совпадает с началом координат, а динамика последовательно описывается синей, зеленой и красной линиями.

Когда поле прикладывается в первый раз, мы следуем за синей кривой. При этом индукция быстро возрастает вплоть до достижения намагниченностью значения, Ms, после чего увеличивается уже более монотонно и медленно с коэффициентом пропорциональности, \mu_0. Это кривая первоначального намагничивания.

При уменьшении магнитного поля от своей максимальной до минимальной величины, значения магнитной индукции соответствуют точкам на зеленой спускающейся вниз кривой, которая является верхней ветвью кривой гистерезиса. Кривая изменяет свою крутизну дважды, первый раз, когда магнитная индукция в предыдущий момент времени была отрицательной величиной, то есть противоположной по знаку намагниченности (значение намагниченности было равным Ms вплоть до этого момента). В области быстрого спада, намагниченность уменьшается. Второе изменение в крутизне происходит, когда намагниченность достигает значения -Ms. Тогда намагниченность «замораживается» (переходит в режим насыщения) и дальнейшее снижение внешнего воздействия вызывает изменение индукции с коэффициентом пропорциональности, \mu_0.

Наконец, когда внешнее магнитное поле увеличивается до своего максимального значения, мы следуем вдоль красной кривой, которая является нижней ветвью кривой гистерезиса. Поведение вдоль зеленой и красной линий похоже. Вдоль красной линии, первое изменение крутизны соответствует моменту, когда магнитная индукция меняет знак — становится положительной (в то время как намагниченность равна -Ms, то есть отрицательна, вплоть до этого момента). После второго изменения крутизны, M = +Ms и красная кривая переводит материал в ту же рабочую точку, где он находился в конце первой кривой намагничивания.

Дальнейшие циклы с одинаковыми амплитудами бесконечно повторяют маршрут сначала вдоль зеленой линии и, затем, вдоль красной. Несмотря на то, что данная упрощенная модель не может объяснить некоторые особенности поведения магнитных материалов, она правильно обрисовывает характерные черты и эффекты гистерезиса.

Отметим, что во время движения вдоль зеленой кривой, если магнитное поле начнет увеличиваться прежде, чем достигнет второго изменения крутизны, намагниченность также начинает заново увеличиваться. Соответственно, индукция последует вдоль зеленой кривой вверх, не испытав гистерезиса. Если такое поведение нежелательно, изменяя код можно это скорректировать.

Теперь мы можем обобщить эту идею и программный код на случай, когда намагниченность становится векторной величиной, чему соответствует новая блок-схема с кодом.

Блок-схема и соответствующий код на языке C для реализации векторной модели гистерезиса.

Этот код достаточно скомпилировать единожды, и он будет работать во всевозможных 1D-, 2D- и 3D-случаях. Давайте сначала посмотрим на его поведение в простом 2D-случае. Здесь, квадратный элемент вызывает магнитную индукцию в горизонтальном направлении. Справа от квадрата, располагается прямоугольный образец описываемого гистерезисного материала. Графики ниже показывают намагниченность для двух различных сценариев.

Магнитный материал находится изначально либо в не намагниченном (слева) или в частично намагниченном состоянии (справа), с внешним полем, которое сначала прикладывают, а затем убирают. Окрашенные точки представляют намагниченность с определенным размером (пропорциональным модулю) и цветом (обозначающим направление). Черные и серые стрелки наложенные на цветные точки представляют намагниченность и магнитную индукцию, соответственно.

В приведенном выше сценарии, области с одним и тем же цветом представляют области со схожим направлением намагниченности, подчеркивая векторную природу намагниченности и образование магнитных доменов. Несмотря на различные начальные конфигурации, окончательные конфигурации оказываются похожими.

На графиках ниже, картина намагниченности совпадает в начале, но вместе с тем совершенно различна после прохождения импульса.

Теперь магнитный материал полностью намагничен в вертикальном направлении, а внешнее поле сначала прикладывается, а затем убирается. Случай справа соответствует более сильному внешнему полю.

Далее, посмотрим на B-H соотношение для двух точек. На графиках ниже гистерезисные B-H кривые отчетливо видны. Они гораздо более сглаженные (чем в предыдущем 1D случае) отчасти потому, что вектор намагниченности может вращаться.

Слева: местоположение двух характерных точек. Справа: график, показывающий кривую B-H (х-компонента) для нижней точки, в которой y-компонента меньше (синяя линия) и кривая B-H (y-компонента) в верхней точке, в которой х-компонента меньше (зеленая линия).

Этот же процесс работает в более общих случаях. Для демонстрации, используем тот же внешний материал в 3D. В представленной ниже модели, катушка, расположенная под гаечным ключом возбуждает импульсное магнитное поле.

Отметим, что модель материала – это General B(H) relation. При создании модели геометрия делится на две части. В нижней части с катушкой, мы используем формулировку Magnetic Fields. В верхней части с ключом, мы используем формулировку Magnetic Fields, No Currents. На границе областей поля корректно согласуются.

Геометрическая конфигурация с использованием модели векторного гистерезиса.

Гаечный ключ изготавливается из внешнего магнитного материала, описанного здесь, и первоначально не является намагниченным. При максимальном токе в катушке, магнитный поток выглядит так, как показано на рисунке ниже.

Магнитная индукция при максимальном токе в катушке. Длины векторов представляют магнитную индукцию в логарифмическом масштабе, в то же время цветовая шкала является линейной.

После окончания импульса некоторый магнитная индукция сохраняется вокруг ключа за счет остаточной намагниченности, как показано на рисунке и анимации ниже.

Магнитная индукция после отключения тока в катушке. Длины векторов представляют магнитную индукцию в логарифмическом масштабе, в то же время цветовая шкала является линейной.

Динамика модуля намагниченности при прохождении импульса тока в катушке.

Усовершенствуйте магнитное моделирование при помощи внешних материалов

Мы узнали, что благодаря новой модели внешнего материала, у вас теперь появились дополнительные возможности и свобода выбора в определении своих магнитных материалов. Рассмотренное в блоге можно рассматривать как отправную точку для реализации различных и в том числе эмпирических моделей, включая модели Джилса-Атертона (Jiles-Atherton) и Прейзаха (Preisach), а также модели, основанные на принципе минимизации энергии, подобные тем, которые используются в микромагнетитном моделировании.

Заинтересовались возможностью использования внешних материальных моделей в своем моделировании?

Microsoft и Windows являются зарегистрированными товарными знаками или товарными знаками Microsoft Corporation в США и/или других странах.

Linux является зарегистрированным товарным знаком Линуса Торвальдса (Linus Torvalds).

Mac OS является товарным знаком Apple Inc., зарегистрированным в США и других странах.

2.7.3. Внешнее магнитное поле

Рис. 2.38. Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги

Рис. 2.37. Влияние угла наклона электрода на отклонение дуги

В установившемся положении отклоняющая сила собственного магнитного поля (пропорциональная квадрату тока) будет уравновешиваться противодействующими силами, вызванными «жесткостью» столба дуги.

Для объяснения «магнитного распора» в контуре лучше всего воспользоваться понятием магнитного давления, которое, согласно формуле (2.95), тем больше, чем больше напряженность Н. Движение эластичного проводника—дуги будет происходить всегда только в сторону уменьшения плотности магнитных силовых линий Н.

Наличие значительных ферромагнитных масс вблизи дуги может вызвать ее отклонения, относимые также к магнитному дутью. Можно считать, что в ферромагнитной массе благодаря ее высокой магнитной проницаемости (например относительная магнитная проницаемость µ для Fe примерно в 104 раз выше, чем в воздухе) магнитные силовые линии контура «стремятся»

сконцентрироваться. Вследствие этого магнитное давление со стороны ферромагнитной массы снижается и дуга отклоняется (рис. 2.38). Поэтому дуга может часто отклоняться в сторону заваренного шва или от кромки в сторону основной массы изделия. При рассмотрении магнитного дутья следует учитывать, что металл в ванне и вблизи неё нагрет выше точки Кюри и практически немагнитен.

Все сказанное выше о магнитном дутье относится в основном к дуге постоянного тока. При сварке дугой переменного тока в металле изделия создается система замкнутых вихревых токов. Вихревые токи создают собственную переменную магнитодвижущую силу, сдвинутую почти на 180° по фазе по отношению к сварочному току. Результирующий магнитный поток контура оказывается значительно меньшим, чем при постоянном токе.

При сварке под флюсом магнитное дутье обычно мало. Однако при сварке продольных швов труб из-за значительной ферромагнитной массы и замкнутого контура трубы возникает поперечное магнитное поле, сдувающее дугу вдоль трубы. Изменяя токоподвод или наклон электрода, можно ликвидировать отрицательное влияние магнитного дутья.

Внешнее магнитное поле по отношению к оси столба дуги может быть либо продольным, либо поперечным. Все промежуточные случаи могут быть сведены к этим двум.

Продольное внешнее магнитное поле. Направление продольного внешнего магнитного поля совпадает с направлением электрического поля, поэтому на дрейфовое движение заряженных частиц магнитное поле влиять не будет. Однако электроны и ионы обладают еще скоростью хаотического теплового движения и скоростью амбиполярной диффузии.

Магнитное поле с магнитной индукцией искривляет траекторию заряженной частицы и заставляет ее двигаться с так называемой циклотронной или ларморовской угловой частотой по спирали по ларморовскому радиусу r (2.89), (2.90)

Для электрона ω = 1,7·1011 c-1 при В = 1 Тл. Он вращается по часовой стрелке. Если смотреть по направлению поля, и его скорость образует с вектором B правовинтовую систему. Положительный ион вращается в обратном направлении с частотой, выраженной формулой (2.96), в которой отношение заряда к массе электрона следует заменить на аналогичную для иона.

При движении по окружности путь l частиц между двумя соударениями в среднем такой же, как и при отсутствии магнитного поля. Но длина свободного пробега λ измеряется по прямой, т. е. по хорде, стягивающей дугу окружности радиусом r. Значит, пробег λ уменьшается, что равносильно увеличению давления газа p. Отношение p/p пропорционально квадрату магнитной индукции поля В2, но для обычных сварочных режимов невелико.

В обычных сварочных дугах при атмосферном давлении наибольшее влияние продольное внешнее магнитное поле оказывает на скорости диффузии ионов и электронов, которые направлены по радиусу от центра дуги к периферии туда, где меньше температура и концентрация (рис. 2.39). В связи с тем, что скорости диффузии в квазинейтральном столбе дуги равны ve ≈ vi, а масса me « mi, импульсы, передаваемые нейтральным частицам от ионов, будут в тысячи раз больше, чем от электронов. Поэтому плазма столба дуги придет во вращательное движение, соответствующее движению в магнитном поле ионов. Столб дуги будет вращаться против часовой стрелки, если смотреть по направлению поля.

Угловая скорость вращения максимальна в тех участках столба, где скорости диффузии наибольшие. Действие электрического поля, которым пренебрегаем в рассуждениях, приводит к появлению осевой составляющей вектора скорости, из-за чего заряженные частицы начинают двигаться по спирали.

Продольное магнитное поле получают с помощью соленоида (рис.2.39, б) и используют для придания дуге большей жесткости и устойчивости. Воздействие продольного внешнего магнитного поля несколько повышает температуру в центре столба дуги в связи с тем, что появляется магнитное давление рм = µ0Н2/(8π), которое, как указано выше, уравновешено давлением рт = nkT.

Поперечное внешнее магнитное поле. При воздействии поперечного магнитного поля целесообразно рассматривать дугу как проводник с током. Поперечное магнитное поле, накладываясь на собственное поле дуги в контуре, может вызвать ее отклонение в ту или другую сторону (рис. 2.40). В той части сварочного контура, где силовые линии B соб и B поп совпадают, создается избыточное магнитное давление и дуга отклоняется в сторону более слабого поля.

Рис. 2.40. Действие поперечного внешнего магнитного поля на дугу

Рис. 2.39. Действие продольного магнитного поля на дугу (а) и схема соленоида для создания продольного магнитного поля (б)

Воздействуя поперечным магнитным полем на дуги и ванну расплавленного металла, при сварке под флюсом можно, например, изменить формирование шва (рис. 2.41). На металл ванны действуют объемные силы F, пропорциональные, согласно уравнению (2.88), векторному произведению плотности тока j и индукции магнитного поля B Под действием этих сил металл стремится «подтечь» под дугу (рис. 2.41,б), чему также

способствует отклонение дуги, и глубина проплавления уменьшается. Изменив направление внешнего магнитного поля на противоположное, можно увеличить глубину проплавления.

Рис. 2.41. Схема дуговой сварки под флюсом: а – без воздействия на дугу магнитным полем; б – с наложением поперечного магнитного поля Н

Если использовать переменное поперечное внешнее магнитное поле, то дуга постоянного тока будет колебаться в обе стороны от положения равновесия с частотой изменения напряженности внешнего поля. Этот технологический прием получил название «метелка» и применяется, например, при сварке труб в трубную доску.

2.7.4. Вращающаяся дуга

Эффект перемещения дуги в поперечном магнитном поле используется для ее вращения с образованием конической или цилиндрической поверхностей.

Вращающаяся «конусная» дуга применяется для сварки кольцевых швов малого диаметра, например соединения трубы с трубной доской (рис. 2.42), по оси которой труб располагается неплавящийся электрод. С помощью соленоида создается

магнитное поле, параллельное оси электрода. При горении дуги «электрод — кромка» столб ее оказывается направленным поперек поляH , что и вызывает вращение дуги. Частота вращения n пропорциональна H и току дуги и достигает обычно нескольким тысяч оборотов в минуту. Сварка изделия происходит за несколько секунд, что соответствует 100…1000 оборотам дуги. Использование вращающейся дуги весьма упрощает аппаратуру.

Применяют также не стержневой, а фигурный неплавящийся электрод, форма которого соответствует конфигурации свариваемой кромки. Сдвиг электрода относительно кромок изделия должен обеспечить взаимодействие столба дуги с поперечным магнитным полем. Фигурным медным электродом удается сваривать детали произвольной формы, что весьма перспективно при массовом производстве таких изделий, как конденсаторы, герметизированные изделия автоматики и т. д.

Способ сварки кольцевых швов труб вращающейся «бегущей» дугой заключается в том, что на концы труб надеваются две катушки, включенные встречно (рис. 2.43). Благодаря этому в зазоре между трубами создается радиальное магнитное поле В (В = µа Н). Если между торцами труб зажечь дугу, то на нее будет действовать тангенциальная сила. Движение дуги вначале ограничивается той скоростью, с которой может перемещаться по поверхности холодной трубы катодное пятно. По мере разогрева торцов скорость движения vсв возрастает, достигая весьма больших значений. После выключения дуги осуществляется осадка.

Рис. 2.42. Схема сварки трубы в труб-	Рис. 2.43. Схема стыковой сварки труб
ную доску вращающейся «конусной» дугой	вращающейся «бегущей» дугой

Воздействие магнитогидродинамических явлений на ванну расплавленного металла можно использовать не только для регулирования глубины проплавления (см. рис. 2.41), но и для управления положением ванны в зазоре стыка. Для этого необходимо создать в металле вертикальные объемные силы, что вполне осуществимо. Поперечное внешнее магнитное поле позволит также управлять формированием шва в разных пространственных положениях. При многодуговой сварке в одну ванну и трехфазной сварке магнитогидродинамические эффекты даже при отсутствии внешнего поля могут существенно расширить технологические возможности процесса. Магнитное воздействие на ванну эффективно также при электрошлаковом и других методах сварки.

Внешнее магнитное поле — обзор

4.02.3.4 Дуговая плазма

Дуговая плазма возникает из отдельных катодных пятен, при этом одновременно активно одно пятно. Таким образом, плазма расширяется из точечного источника.

В отсутствие внешнего магнитного поля преобладают градиент давления плазмы и ион-электронное взаимодействие. В случае большого цилиндрического анода, симметричного катоду, плазма расширяется симметрично с распределением как функция угла θ от нормали к поверхности катода.Интенсивность плазмы cos ^α θ . Показатель α связан с пинчингом плазмы. Если α <1, наблюдается сферическое распределение, а когда α > 1, плазма защемляется и образует сфокусированную струю.

Ускорение ионов происходит вблизи катодного пятна. После этого плазма расширяется с постоянной скоростью. Таким образом, плотность плазмы уменьшается как 1/ r ² как функция расстояния r от катода.

Предполагается, что процесс ускорения, происходящий в непосредственной близости от катодного пятна, является результатом следующих явлений: (1) градиент давления ионов, (2) градиент давления электронов, (3) коллективное ускорение ионов электрон-ионным взаимодействием и (4) ускорение электрическим полем (потенциальный горб). Согласно Ханче ( 23 ), большой поток электронов сталкивается или взаимодействует посредством кулоновских сил с атомами металла, вытекающими из катодного пятна.Поскольку электроны движутся с гораздо большей скоростью и в гораздо большем количестве, чем атомы, кинетическая энергия передается атомам. Электроны отрываются от атомов, вызывая ионизацию. Очень плотная плазма имеет такой градиент давления электронов и ионов, что ионы ускоряются до своей конечной кинетической энергии на расстоянии менее 10 мкм от катода. На этом расстоянии образуется плотная неравновесная плазма с множеством ионизированных ионов и электронов. За пределами этого расстояния, называемого «зоной замерзания», распределение зарядовых состояний стабилизируется.Скорость ионизации ионов различна и характерна для каждого элемента. Типичные значения энергии ионов варьируются от нескольких десятков эВ до более 100 эВ.

Внешнее магнитное поле используется для управления движением пятна на катоде и для направления плазмы. Таким образом, магнитные поля имеют большое влияние на плазму. Вблизи катодного пятна плотность плазмы высока, даже превышает атмосферное давление. По мере расширения плазмы плотность уменьшается до значения, при котором электроны намагничиваются из-за внешнего магнитного поля.Это означает, что движение электронов определяется вращательным движением в магнитном поле. Это расстояние от катода обычно составляет несколько мм. На движение электронов не влияет, когда движение параллельно силовым линиям магнитного поля, тогда как движение перпендикулярно силовым линиям возможно только в результате столкновений или коллективных эффектов, таких как турбулентность. Таким образом, плазма течет вдоль силовых линий магнитного поля.

Распределение зарядовых состояний остается постоянным по мере расширения плазмы при условии, что давление в камере достаточно низкое, а длина свободного пробега ионов сравнима с размерами вакуумной камеры.

Было показано, что внешнее магнитное поле влияет на распределение зарядовых состояний. Когда магнитное поле увеличивается до значения примерно 1 Тл, ионизация увеличивается, как показано на Рисунке 16. Предполагается, что намагниченность электронов является причиной повышенной ионизации. Ток разряда создает внутреннее магнитное поле. Повышенная ионизация наблюдается, когда ток дуги превышает 300 А.

Рис. 16. Увеличение средней ионизации в зависимости от магнитного поля для различных металлов.

По Андерсу, А. Катодные дуги: от фрактальных пятен к энергетическим конденсациям. В Атомная, оптическая и плазменная физика ; Springer: Нью-Йорк, 2010; Vol. 50.
Энергия ионов возникает в результате процессов в непосредственной близости от катодного пятна и остается постоянной в случае вакуума без внешнего магнитного поля. Однако магнитное поле может существенно влиять на энергию ионов.
Распределение энергии ионов и температура электронов были тщательно измерены для нескольких материалов катода ( 24 ).Используя времяпролетные измерения для определения скорости импульсной плазмы, было обнаружено, что в спектре скоростей ионов есть один резкий пик со значением от 1000 до 3000 м с ⁻¹. Принимая во внимание, что существует широкое распределение различных зарядовых состояний иона, ускорение должно быть связано с гидродинамическим эффектом вблизи катодного пятна, независимо от зарядового состояния иона. Если бы ускорение было вызвано электрическим полем, можно было бы ожидать увидеть отдельные максимумы для каждого состояния заряда.На рисунке 17 показана средняя скорость ионов для различных элементов. Существует связь между энергией когезии материала катода и явлением пятна дуги, как описано в разделе 4.02.3.3. Соответственно, существует также корреляция энергии ионов и энергии когезии элементов (см. Рисунок 17).
Рис. 17. Средняя кинетическая энергия иона ( E _kin), полученная как моделированием, так и экспериментально для различных номеров атомов. Сравнение с температурой электронов ( T _e) и энергией когезии ( E _EC).
По Андерсу, А. Катодные дуги: от фрактальных пятен к энергетическим конденсациям. В Атомная, оптическая и плазменная физика ; Springer: Нью-Йорк, 2010; Vol. 50.
В присутствии магнитного поля движение электронов перпендикулярно силовым линиям магнитного поля затруднено. Из-за этого увеличивается сопротивление плазмы, что приводит к более высокому напряжению дуги. Это приводит к увеличению температуры электронов, более высокому градиенту давления на катодном пятне, более высокой энергии ионов и увеличению среднего зарядового состояния.
А. Андерс недавно всесторонне рассмотрел плазму вакуумной катодной дуги ( 25 ).
Градиент магнитного поля используется для ограничения практического применения плазмы, например, в термоядерных термоядерных реакторах. Электрон либо ускоряется, либо замедляется при движении в градиенте магнитного поля. Когда магнитное поле увеличивается, скорость электронов уменьшается. Поскольку ионы и электроны связаны, энергия ионов соответственно уменьшается или увеличивается.Магнитное поле, применяемое в фильтрах для частиц, может оказывать значительное влияние на энергию ионов, таким образом оказывая влияние на структуру осажденной пленки.
Давление окружающего газа влияет на энергию ионов в результате столкновений с нейтральными атомами. Это особенно характерно для реактивного катодно-дугового осаждения при давлении окружающей среды в несколько Па. Тогда длина свободного пробега ионов становится меньше размера камеры.
Электромагнетизм — Направление внешнего и внутреннего магнитных полей
Внешнее магнитное поле — это то, что по определению является посторонним по отношению к вашему объекту и не зависит от него.Это может быть магнит или само поле Земли, которому подвергается ваш образец.
Обычно определяется H .
Не уверен, что именно означает ваше «внутреннее» магнитное поле.
Правильная терминология для использования — это намагничивание M объекта, которое является собственным магнитным полем объекта (например, если это магнит), в отсутствие какого-либо внешнего поля.
Когда вы помещаете свой магнитный образец во внешнее поле, два вклада складываются векторно, и вы обычно используете букву B для описания результата
Некоторые объекты могут иметь намагничивание M , возникающее в результате воздействия внешнего поля H : e.грамм. ферромагнитное вещество может иметь все свои магнитные домены, ориентированные в случайных направлениях, поэтому суммируется с 0 чистым M , но внешнее поле может выровнять их все в одном направлении, давая чистое M $ \ neq 0 $.
В этом случае M и H будут иметь одинаковое направление, поэтому B также будут указывать на одной оси. Будучи просто суммой двух, B может оказаться> H (ферромагнетики, парамагнетики), < H (диамагнетики) или $ = 0 $, если M отменяет H (сверхпроводники <=> Эффект Мейснера).
H и M отличаются в $ \ mu_0 $ от B по причинам:
$$ \ mathbf {B} = \ mu_0 (\ mathbf {H} + \ mathbf {M}). $$
–
Обычно B используется для магнитных полей везде, различие между B , H и M действительно становится актуальным только тогда, когда вы помещаете намагниченные образцы во внешние магнитные поля. Поле Земли настолько слабое, что обычно вас это не волнует.
Исследователи предлагают метод намагничивания материала без приложения внешнего магнитного поля
Исследование показывает, что это явление может быть вызвано адиабатическим сжатием без теплообмена с окружающей средой. Предоставлено: Geek3 / Wikimedia Commons — commons.wikimedia.org/wiki/File:VFPt_bar-magnet-forces.svg
Намагничивание материала без приложения внешнего магнитного поля предложено исследователями из Государственного университета Сан-Паулу (UNESP), Бразилия, в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports , где они подробно описывают экспериментальный подход, используемый для достижения этой цели.
Исследование было частью Ph.D. исследование, проводимое Лукасом Сквильянте под руководством Мариано де Соуза, профессора физического факультета UNESP в Рио-Кларо. Вклад также был сделан Исис Мелло, другим доктором философии. кандидат под руководством Соуза и Антонио Серидонио, профессор кафедры физики и химии UNESP на острове Илья-Сольтейра. Группу поддержал ФАПЕСП.
«Короче говоря, намагничивание происходит, когда соль сжимается адиабатически, без теплообмена с внешней средой», — сказал Соуза. «Сжатие повышает температуру соли и в то же время перестраивает спины ее частиц. В результате общая энтропия системы остается постоянной, а система остается намагниченной в конце процесса».
Чтобы понять это явление, стоит вспомнить основы спина и энтропии.
Спин — это квантовое свойство, которое заставляет элементарные частицы (кварки, электроны, фотоны и т. Д.)), составные частицы (протоны, нейтроны, мезоны и т. д.) и даже атомы и молекулы ведут себя как крошечные магниты, направленные на север или юг — вверх и вниз — в магнитном поле.
«Парамагнитные материалы, такие как алюминий, который является металлом, намагничиваются только при приложении внешнего магнитного поля. Ферромагнитные материалы, включая железо, могут проявлять конечную намагниченность даже в отсутствие приложенного магнитного поля, потому что они имеют магнитные домены», Соуза объяснил.
Энтропия — это в основном мера доступных конфигураций или состояний системы. Чем больше количество доступных состояний, тем больше энтропия. Австрийский физик Людвиг Больцманн (1844–1906), используя статистический подход, связал энтропию системы, которая является макроскопической величиной, с числом возможных микроскопических конфигураций, составляющих ее макросостояние. «В случае парамагнитного материала энтропия представляет собой распределение вероятностей, которое описывает количество вращений вверх или вниз в частицах, которые он содержит», — сказал Соуза.
В недавно опубликованном исследовании парамагнитная соль была сжата в одном направлении. «Приложение одноосного напряжения уменьшает объем соли. Поскольку процесс проводится без теплообмена с окружающей средой, сжатие вызывает адиабатическое повышение температуры материала. Повышение температуры означает повышение энтропии. Полная энтропия в системной константе, должен быть компонент локального уменьшения энтропии, который компенсирует повышение температуры.В результате спины имеют тенденцию выравниваться, что приводит к намагничиванию системы », — сказал Соуза.
Полная энтропия системы остается постоянной, а адиабатическое сжатие приводит к намагничиванию. «Экспериментально адиабатическое сжатие достигается, когда образец сжимается в течение меньшего времени, чем требуется для тепловой релаксации — типичное время, необходимое системе для обмена теплом с окружающей средой», — сказал Соуза.
Исследователи также предполагают, что адиабатическое повышение температуры может быть использовано для исследования других взаимодействующих систем, таких как конденсаты Бозе-Эйнштейна в магнитных изоляторах и диполярные системы спинового льда.
Принципы из физики объясняют важность карантина для контроля распространения COVID-19
Дополнительная информация: Лукас Сквилланте и др., Адиабатическая намагниченность, вызванная эластокалорическим эффектом в парамагнитных солях из-за взаимных взаимодействий, Scientific Reports (2021).DOI: 10.1038 / s41598-021-88778-4
Ссылка : Исследователи предлагают метод намагничивания материала без приложения внешнего магнитного поля (2021, 29 июля). получено 8 ноября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2021-07-method-magnetizing-material-external-magnet.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
Устранение влияния магнитного поля Земли на датчики магнитоупругого резонанса с помощью антисимметричного поля смещения
Sens Actuators A Phys.2012 Авг; 183 (44-2): 11-15.
Bernhard Bergmair
^a Институт физики твердого тела, Венский технологический университет, Wiedner Hauptstr. 8, 1040 Wien, Austria
^b Институт анализа и научных вычислений, Венский технологический университет, Wiedner Hauptstr. 8, 1040 Wien, Austria
Thomas Huber
^a Институт физики твердого тела Венского технологического университета, Wiedner Hauptstr. 8, 1040 Wien, Austria
^b Институт анализа и научных вычислений, Венский технологический университет, Wiedner Hauptstr.8, 1040 Wien, Austria
Florian Bruckner
^a Институт физики твердого тела Венского технологического университета, Wiedner Hauptstr. 8, 1040 Wien, Austria
Christoph Vogler
^a Институт физики твердого тела Венского технологического университета, Wiedner Hauptstr. 8, 1040 Wien, Austria
Dieter Suess
^a Институт физики твердого тела Венского технологического университета, Wiedner Hauptstr. 8, 1040 Wien, Austria
^a Институт физики твердого тела Венского технологического университета, Wiedner Hauptstr.8, 1040 Wien, Austria
^b Институт анализа и научных вычислений, Венский технологический университет, Wiedner Hauptstr. 8, 1040 Wien, Austria
^⁎ Автор для переписки: Венский технологический университет, Институт физики твердого тела, Wiedner Hauptstr. 8, 1040 Вена, Австрия. [email protected]
Получено 16 февраля 2012 г .; Пересмотрено 7 мая 2012 г .; Принято в 2012 г. 8 мая.
Основные моменты
► Представлена конструкция высокоточных магнитоупругих резонансных датчиков.► Он основан на приложении антисимметричного магнитного поля к аморфной ленте. ► Устранены сдвиги частоты из-за влияния магнитного поля Земли. ► Принцип был успешно протестирован с использованием магнитных катушек. ► Принцип был успешно протестирован с использованием антипараллельных постоянных магнитов.
Ключевые слова: Магнитоупругий резонансный датчик, Дистанционное измерение, Пассивный датчик, Магнитное поле Земли, Компенсация, Антисимметричное поле смещения
Abstract
Магнитоупругие датчики используются в широком спектре приложений беспроводного зондирования.Чувствительный элемент представляет собой недорогую магнитострикционную ленту, резонансная частота которой зависит от измеряемой величины. Точность магнитоупругих датчиков ограничена тем фактом, что на резонансную частоту также влияет магнитное поле Земли. В этой статье мы представляем способ минимизировать этот эффект, применяя к ленте антисимметричное магнитное поле смещения. Реакция ленты на внешние поля возмущения была измерена и сравнена с традиционной конструкцией датчика. Наши результаты показывают, что влияние магнитного поля Земли можно уменьшить на 77%.
1. Введение
Принцип магнитоупругих резонансных датчиков давно известен и в его простейшей форме миллион раз используется в электронном видеонаблюдении (EAS) [1]. В последние годы наблюдается возрастающий интерес к магнитоупругим датчикам, поскольку они предоставляют возможность удаленного мониторинга различных величин [2,3]. Датчики пассивны, а материальные затраты настолько низки, что их можно использовать на одноразовой основе. Они применимы для измерения температуры [4], давления и массы [5], скорости и плотности потока жидкости [6–8], влажности [9,10], pH [11,12], концентрации аммиака [13], глюкозы. [14], диоксид углерода [15], Escherichia coli [16] и др.
Основным чувствительным элементом датчиков магнитоупругого резонанса является недорогая аморфная ферромагнитная лента. Как следствие магнитоупругого эффекта, механические колебания ленты могут создаваться дистанционно путем приложения изменяющегося во времени магнитного поля. После выключения этого поля возбуждения лента механически колеблется на своей резонансной частоте. Таким образом, он создает изменяющийся во времени магнитный момент (обратный магнитоупругий эффект или эффект Виллари), который снова может быть обнаружен дистанционно.
Резонансная частота ленты зависит от ее модуля Юнга, который, в свою очередь, зависит от предварительного намагничивания ленты из-за эффекта Δ E [17,18]. Предварительное намагничивание также определяет мощность сигнала датчика [19] и температурную зависимость резонансной частоты [20] и, таким образом, составляет рабочую точку ленты. Предварительное намагничивание достигается постоянным магнитным полем (поле смещения). Поле смещения может создаваться катушкой или полем рассеяния соседнего постоянного магнита, который может быть включен в корпус датчика.Поле смещения обычно однородно или, по крайней мере, его продольная составляющая имеет постоянный знак вдоль длинной оси ленты.
В зависимости от конкретного применения датчика магнитоупругие резонансные датчики предназначены для преобразования изменения измеряемой величины в изменение резонансной частоты относительно заданной рабочей точки.
К сожалению, эта рабочая точка смещается внешними магнитными полями, такими как магнитное поле Земли. Как правило, невозможно отличить, вызваны ли изменения резонансной частоты такими возмущениями или действительно изменениями измеряемой величины.Это значительно снижает точность и надежность магнитоупругих датчиков.
Чтобы исключить это влияние внешних полей на резонансную частоту в первом порядке, можно выбрать рабочую точку так, чтобы она находилась на экстремуме Δ E — H -кривой [9], но тем самым ставя под угрозу силу сигнала и температуру. зависимость. Другой способ — использовать ленты с более высокими полями анизотропии и / или более высокими коэффициентами размагничивания, которые требуют больших полей смещения и, таким образом, уменьшают относительное влияние возмущений внешнего поля.Первая концепция неосуществима, когда речь идет о конструкциях датчиков, в которых измеряемые величины преобразуются в изменения эффективного поля смещения ленты [21–23], потому что в этих случаях резонансная частота должна быть чувствительной к изменениям H . -поле. Применение второй концепции затрудняет создание вибрации ленты с помощью внешнего переменного поля.
Некоторые другие попытки решить эту проблему были недавно предприняты Ong et al. [24]. При анализе нелинейностей проницаемости ленты можно было оценить и, следовательно, рассмотреть условия окружающей среды, такие как температура и внешние магнитные поля постоянного тока.Этот метод приводит к значительному снижению ошибок, но ограничивает возможность считывания показаний датчика удаленно, поскольку он требует создания контролируемого и хорошо определенного магнитного постоянного поля, по крайней мере, с величиной возмущающего магнитного поля (т. Е. Поля земли) в месте расположения ленты.
Кроме того, был разработан метод повышения точности магнитоупругих резонансных датчиков массы, когда изменение массы неравномерно распределяется по ленте. Метод учитывает частоту режима резонанса второй гармоники, тем самым преодолевая недостаточную чувствительность частоты первой гармоники к определенным типам изменений массы [25].
В этой статье представлен метод минимизации влияния внешних магнитных полей на магнитоупругие датчики, который также основан на измерении более высокого резонансного режима. Этот метод лишь незначительно ограничивает возможность оптимизации характеристик датчика посредством предварительного намагничивания.
2. Основополагающий принцип
Возмущающее влияние продольной (параллельной оси x ) внешнего поля на ленту преобладает над влиянием перпендикулярных компонентов по следующим причинам: Во-первых, из-за Из-за геометрии ленты ее продольный размагничивающий фактор намного меньше, чем у других направлений.Во-вторых, легкая магнитная ось ленты перпендикулярна длинной оси. Таким образом, перпендикулярные компоненты намагниченности соседних доменов антипараллельны [1]. Следовательно, эффекты компоненты внешнего поля, параллельной легкой оси, имеют противоположный знак для соседних доменов и не влияют на макроскопическое среднее значение модуля Юнга в первом порядке.
Схема экспериментальной установки.
Предлагаемая методика основана на родственном принципе и способна исключить также влияние продольной составляющей внешнего поля H на резонансную частоту в первом порядке.Профиль поля смещения датчика вдоль длинной оси ленты ( x -ось) был разработан полностью антисимметричным по отношению к ее центральному поперечному сечению:
Мы использовали поле, которое в основном является постоянным отрицательным для отрицательных значений x и постоянное положительное значение для положительных значений x .
Поскольку механические свойства ленты зависят только от абсолютного значения намагниченности, профиль модуля Юнга антисимметрично смещенной ленты является симметричным.Продольное внешнее поле теперь будет уменьшать абсолютное значение эффективного поля смещения в одной половине ленты (например, для x <0) и увеличивать его в другой половине (например, x > 0), независимо от знака. этого внешнего поля. Таким образом, модуль Юнга увеличится на одной половине и одновременно уменьшится на другой половине ленты. Воздействие на резонансную частоту ленты из-за этих отклонений модуля Юнга с обеих сторон нейтрализует друг друга в первом порядке.
Описанный антисимметричный характер поля смещения влияет и на возбужденные моды колебаний ленты. В большинстве случаев внешнее магнитное переменное поле, которым возбуждаются колебания ленты, преимущественно однородное. Вектор поля однородного переменного поля добавляется к вектору антисимметричного поля смещения. Это дает изменяющееся во времени изменение намагниченности, которое является симметричным для малых полей переменного тока. Следовательно, магнитные сигналы переменного тока обеих половин ленты конструктивно интерферируют.С другой стороны, абсолютное значение общей намагниченности (= предварительное намагничивание + изменение намагниченности переменным током) увеличивается в одной половине ленты и одновременно уменьшается в другой половине. Из-за магнитоупругого эффекта это дает растягивающее напряжение на одной половине и сжимающее напряжение на другой половине ленты. Поэтому возбуждаются антисимметричные механические моды колебаний, из которых учитывалась только вторая гармоника.
3. Экспериментальная
Для проверки эффективности предложенной компенсации использовалась экспериментальная установка, показанная в, для сравнения ленты с антисимметричным смещением и обычной ленты с симметричным смещением.Геометрия ленты была взята из геометрии акустомагнитных меток EAS. В бирках EAS используются ленты с типичной длиной 40 мм, которые можно считывать с расстояния около одного метра. С уменьшением длины ленты сила сигнала будет уменьшаться квадратично из-за увеличения демпфирования и уменьшения громкости [1].
Установка для антисимметричного смещения: для установки рабочей точки лента (размеры 76,6 мм × 12,1 мм × 22 мкм) магнитно смещается антисимметричным полем «ас-катушки».Поэтому лента должна быть точно (± 0,5 мм) расположена посередине катушки. Это было сделано путем поиска положения, в котором сигнал ленты максимален. Однородные поля возмущений генерируются «h-катушкой». Профили поля обеих катушек показаны на. Из профиля as-катушки можно также оценить влияние фактического положения ленты вдоль оси катушки на резонансную частоту: переход от отрицательного к положительному участку поля смещения в центре as- катушка имеет наклон примерно 35 А / м на мм при обычно используемом токе катушки 0.2 А. Таким образом, для пораженной средней части ленты смещение на ± 1,3 мм будет иметь тот же эффект, что и поворот на 180 ° в магнитном поле Земли с напряженностью поля ± 44 А / м. Резонансная частота второй гармоники измерялась при независимом изменении напряженности как смещения, так и поля возмущения.
Осевое магнитное поле h-катушки и as-катушки при токе катушки 1 A.
Установка для симметричного смещения: лента (размеры 38,4 мм × 12,1 мм × 22 мкм) однородно смещена h-катушкой ‘, чтобы установить рабочую точку.Поскольку возмущения внешнего поля также однородны, они приводят только к постоянному смещению поля смещения. Измерена зависимость частоты первой гармоники от напряженности однородного поля. Ас-катушка была отключена, чтобы избежать каких-либо помех.
Обе ленты вырезаны из аморфного сплава на основе FeCo, полученного формованием из расплава, предоставленного Г. Герцером из VACUUMSCHMELZE, со следующими свойствами: легкая ось поперек длинной оси, поле анизотропии: 380 А / м, намагниченность насыщения: 1.74 Тл, магнитострикция насыщения: 42 ppm, массовая плотность: 7,5 г / см ³. Двойная длина антисимметрично смещенной ленты была выбрана для лучшей сопоставимости резонансных частот, поскольку в этом случае возбуждается вторая гармоника. В обоих случаях колебания ленты могут быть возбуждены переменным магнитным полем «катушки переменного тока» частотой 65 кГц. Эта частота находится немного выше первой гармоники короткой ленты и немного выше второй гармоники ленты двойной длины.После отправки сигналов переменного тока лента вибрирует в течение примерно 1 мс в режимах автоколебаний, тем самым вызывая ответный сигнал в «приемной катушке». Для сигнала было выполнено быстрое преобразование Фурье. Резонансная частота определялась как положение максимума спектрального пика, а амплитуда сигнала — как высота этого максимума.
Чтобы избежать возмущений из-за «реального» магнитного поля Земли, катушки и лента были помещены внутри MuMetal-box, который экранирует магнитные поля.
Во второй экспериментальной установке () проверялась применимость концепции для целевого приложения удаленного мониторинга. Поэтому ас-катушка была заменена двумя антипараллельными постоянными магнитами, расположенными рядом с более длинной лентой (длина: 76,6 мм). Они также создают антисимметричное поле смещения аналогичной, хотя и не равной формы, по сравнению с полем as-катушки. Этот вид поля смещения не может быть изменен, но составляет фиксированную рабочую точку ленты. Дополнительно однородные возмущения поля накладывались h-катушкой.Было измерено их влияние на резонансную частоту ленты. Постоянные магниты (размеры 43 мм × 13 мм × 1,1 мм) взяты из жестких тегов EAS SENSORMATIC. Лента располагалась на 14 мм выше постоянных магнитов.
Схема экспериментальной установки, в которой антисимметричное поле смещения создается двумя антипараллельными постоянными магнитами.
4. Результаты и обсуждение
(слева) показывает поведение ленты с антисимметричным смещением при изменении как напряженности поля смещения (т.е.е. рабочая точка) и однородное поле (т. е. возмущение). Область, которая имеет отношение к возмущениям из-за магнитного поля Земли, обозначена белыми прямоугольниками и будет изображена более подробно в. Из рисунка видно, что резонансная частота симметрична относительно направления приложенного однородного поля возмущения и непрерывна. Следствием этого является устранение влияния малых однородных полей в первом порядке.
Цветной график 2-й резонансной частоты (слева) и мощности сигнала (справа) как функции антисимметричного поля смещения (вертикальная ось) и однородного поля возмущения (горизонтальная ось). Длина ленты: 76,6 мм.
Вариации из-за поля земли 2-й гармоники резонатора длиной 76,6 мм в антисимметричном поле смещения.
Следующие результаты демонстрируют это для конкретной проблемы сдвига частоты из-за магнитного поля Земли, которое имеет величину 44 А / м, что соответствует 0.02 А в h-катушке. Резонансная частота как обычной (симметрично), так и предлагаемой ленты с антисимметричным смещением была проанализирована для различных рабочих точек с дополнительными однородными полями 44 А / м и без них.
Результаты для традиционной симметричной конструкции датчика показаны на. Вследствие ΔE-эффекта резонансная частота зависит от однородного поля смещения. Магнитное поле Земли изменяет эффективное поле смещения на ± 44 А / м, когда оно параллельно или антипараллельно длинной оси ленты, таким образом изменяя резонансную частоту в диапазоне 3.0 кГц. Максимальный сдвиг проявляется в самой крутой части кривой f — H , которая в противном случае была бы оптимальной рабочей точкой для многих сенсорных приложений по уже упомянутым причинам (низкий температурный дрейф, максимальная чувствительность).
Вариации от поля земли 1-й гармоники резонатора длиной 38,4 мм в однородном поле смещения.
Результаты для антисимметричной конструкции датчика показаны на. Из-за магнитного поля Земли резонансная частота колеблется в пределах 0.7 кГц. Вблизи оптимальной рабочей точки сдвиг даже намного меньше.
Предлагаемый способ компенсации снижает максимальное влияние магнитного поля Земли на 77%. Кроме того, измеренный уровень сигнала антисимметричного датчика больше и меньше подвержен возмущениям поля по сравнению с традиционной конструкцией датчика. Частично это увеличение мощности сигнала можно объяснить двойным размером ленты с антисимметричным смещением и другими геометрическими аспектами.Но наши результаты показывают, что из-за особого профиля антисимметричного поля смещения непосредственно возбужденное колебание второй гармоники имеет, по крайней мере, такую же силу, что и колебание первой гармоники симметрично смещенной ленты. По крайней мере, если принять идеальные условия, это не удивительно. Обе половины антисимметрично смещенной ленты совершают более или менее колебания, которые равны свободным колебаниям первой гармоники ленты половинного размера.
Вместе со второй гармоникой также всегда совместно возбуждается первая гармоника антисимметрично смещенной ленты (не отображается на графике).Обе гармоники имеют схожие амплитуды, в отличие от симметрично смещенных лент, где более высокие гармоники обычно имеют гораздо меньшие амплитуды, чем основная. Таким образом, антисимметричное поле смещения очень полезно для упомянутого метода обнаружения неоднородной массы с использованием высших гармоник [25].
Как уже было описано выше, антисимметричное поле смещения также может быть создано двумя противоположными коллинеарными постоянными магнитами, расположенными параллельно магнитоупругой ленте. показано влияние возмущений внешнего однородного поля на резонансную частоту смещенной таким образом ленты.Хорошо видна симметрия этого эффекта относительно знака внешнего поля. Для фактической рабочей точки полевые возмущения напряженности магнитного поля Земли (± 44 А / м) приводят к колебаниям частоты в диапазоне 0,29 кГц. Эти колебания в десять раз меньше максимального отклонения в некомпенсированной конструкции. Причина, по которой центр симметрии рисунка смещен примерно до -0,02 А, скорее всего, является смещением в управлении катушкой смещения, а не из-за отклонений в силе постоянных магнитов, как мы заключаем из эталонных измерений.Если бы это было принято во внимание, отклонения частоты уменьшились бы даже до 0,09 кГц.
Вариации из-за поля земли 2-й гармоники резонатора длиной 76,6 мм в антисимметричном поле смещения двух антипараллельных постоянных магнитов.
5. Заключение
Таким образом, мы заключаем, что представленная методика компенсации обеспечивает выдающееся снижение возмущающего влияния магнитного поля Земли. Это позволяет использовать датчики с высокой точностью.Предполагая конструкцию датчика для представленного материала ленты, в которой полный диапазон измерения измеряемой величины преобразуется в изменение резонансной частоты на 10 кГц, шум из-за ориентации датчиков в магнитном поле Земли уменьшится до 1% от этого диапазона измерения. .
Благодарности
Авторы хотели бы поблагодарить проект WWTF MA09-029 и проект FWF SFB ViCoM F4112-N13 за финансовую поддержку и Giselher Herzer за полезные обсуждения.
Биографии
•
Бернхард Бергмайр получил степень магистра наук. получил степень в области технической физики Венского технологического университета (Австрия) в 2008 году. Его исследовательские интересы включают магнитоупругие резонансные датчики и магнитоупругое моделирование.
•
Томас Хубер получил степень магистра наук. получил степень в области технической физики в Венском технологическом университете (Австрия) в 2010 году. Его исследовательские интересы включают сенсоры во всех вариантах.
•
Флориан Брукнер получил степень магистра наук. получил степень в области технической физики Венского технологического университета, Австрия, в 2010 году. Его исследовательские интересы включают многомасштабное магнитное моделирование.
•
Кристоф Фоглер получил степень магистра наук. получил степень в области технической физики Венского технологического университета (Австрия) в 2010 году. Его исследовательские интересы включают микромагнитное моделирование, в частности, многомасштабное магнитное моделирование и проектирование устройств MRAM.
•
Дитер Зюсс получил степень магистра наук. получил степень в области технической физики Венского технологического университета (Австрия) в 1999 году и получил степень доктора философии. в 2002 г. С 2007 г. доц. профессор и руководитель проектов Венского технологического университета. Его исследовательские интересы включают микромагнитное и многомасштабное магнитное моделирование, магнитоупругие резонансные датчики и феррозондовые ПЭМ-датчики.
Список литературы
1. Герцер Г. Магнитные материалы для электронного наблюдения за предметами.Журнал магнетизма и магнитных материалов. 2003; 254: 598–602. [Google Scholar] 2. Граймс К.А., Мангл К.С., Цзэн К., Джайн М.К., Дрешель В.Р., Паулоуз М., Онг К.Г. Беспроводные магнитоупругие резонансные датчики: критический обзор. Датчики. 2002. 2 (7): 294–313. [Google Scholar] 3. Граймс С.А., Рой С.С., Рани С., Кай К. Теория, приборы и приложения магнитоупругих резонансных датчиков: обзор. Датчики. 2011. 11 (3): 2809–2844. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 4. Джайн М., Граймс С. Набор беспроводных магнитоупругих микродатчиков для одновременного измерения температуры и давления.IEEE Transactions on Magnetics. 2001; 37 (4 I): 2022–2024. [Google Scholar] 5. Кузудис Д., Граймс К. Частотный отклик магнитоупругих датчиков на напряжение и атмосферное давление. Умные материалы и конструкции. 2000. 9 (6): 885–889. [Google Scholar] 6. Граймс С.А., Кузудис Д., Мангл С. Одновременное измерение плотности и вязкости жидкости с помощью магнитоупругих датчиков удаленного запроса. Обзор научных инструментов. 2000. 71 (10): 3822–3824. [Google Scholar] 7. Граймс К.А., Кузудис Д. Измерение давления, скорости потока жидкости и влажности с помощью удаленных запросов с помощью магнитоупругих толстопленочных датчиков.Датчики и исполнительные механизмы A. 2000; 84 (3): 205–212. [PubMed] [Google Scholar] 8. Кузудис Д., Граймс К.А. Дистанционное измерение скорости потока жидкости с помощью магнитоупругих толстопленочных датчиков. Журнал прикладной физики. 2000. 87 (9 III): 6301–6303. [Google Scholar] 9. Джейн М.К., Шмидт С., Онг К.Г., Мангл К., Граймс К.А. Магнитоакустические датчики температуры и влажности с дистанционным запросом. Умные материалы и конструкции. 2000. 9 (4): 502–510. [Google Scholar] 10. Онг К., Паулоз М., Джайн М., Гонг Д., Варгезе О., Мангл К., Граймс С. Датчики глюкозы с дистанционным запросом на основе магнетизма. Датчики. 2001. 1 (5): 138–147. [Google Scholar] 11. Цай К.Ю., Граймс К.А. Магнитоупругий датчик pH с дистанционным запросом. Датчики и исполнительные механизмы Б. 2000; 71 (1-2): 112–117. [PubMed] [Google Scholar] 12. Цай К.Ю., Граймс К.А. Не зависящий от соли датчик pH. Датчики и исполнительные механизмы Б. 2001; 79 (2-3): 144–149. [Google Scholar] 13. Цай К., Джайн М., Граймс К. Беспроводной датчик аммиака с дистанционным запросом. Датчики и исполнительные механизмы B. 2001; 77 (3): 614–619. [PubMed] [Google Scholar] 14.Онг К., Джайн М., Мангл К., Шмидт С., Граймс С. Датчики на основе магнетизма. Труды Международного общества оптической инженерии SPIE. 2001; 4467: 158–172. [Google Scholar] 15. Цай К.Ю., Каммерс-Гудвин А., Граймс К.А. Беспроводной магнитоупругий датчик удаленного запроса CO ₂. Журнал экологического мониторинга. 2000. 2 (6): 556–560. [PubMed] [Google Scholar] 16. Онг К., Цзэн К., Ян Х., Шанкар К., Руан С., Граймс К. Количественная оценка нескольких биоагентов с помощью беспроводных магнитоупругих микросенсоров с дистанционным запросом.Журнал датчиков IEEE. 2006. 6 (3): 514–522. [Google Scholar] 17. Ливингстон Дж. Д. Магнитомеханические свойства аморфных металлов. Физическое состояние Солди А. 1982; 70 (2): 591–596. [Google Scholar] 18. Герцер Г. Влияние размера доменов на магнитоупругое затухание в аморфных ферромагнитных металлах. Zeitschrift fur MetaIlkunde. 2002. 93 (10): 978–982. [Google Scholar] 19. Герцер Г. Магнитомеханическое затухание в аморфных лентах с одноосной анизотропией. Материаловедение и инженерия A. 1997; 226–228: 631–635.[Google Scholar] 20. Mungle C.S., Grimes C.A., Dreschel W.R. Настройка частотно-температурного отклика магнитоупругого датчика магнитным полем. Датчики и исполнительные механизмы А. 2000; 101: 143–149. [Google Scholar] 21. Накамура М., Йошизава С., Куцудзава Н., Камбе С., Исии О. Дистанционный датчик температуры, состоящий из аморфной магнитной ленты и ферритовой трубки с низкой температурой Кюри. Физическое состояние Солди А. 2007; 204 (12): 4137–4140. [Google Scholar]
22. Д. Зюсс, Датчик для измерения механических напряжений, Патент Австрии, 507303 (2010).
23. Д. Зусс, Р. Грессингер, Сенсорное устройство для бесконтактного измерения температуры с использованием магнитных материалов вблизи фазовых переходов, Европейский патент, 2280262 (2011).
24. Онг К., Тан Э., Граймс К., Шао Р. Устранение влияния температуры и поля земли магнитоупругим датчиком pH. Журнал датчиков IEEE. 2008. 8 (4): 341–346. [Google Scholar] 25. Ли С., Ченг З.-Й. Детектирование неоднородной массы с помощью магнитострикционных биосенсоров, работающих в режимах множественного гармонического резонанса.Журнал прикладной физики. 2010; 107 (11) 114514–114514-6. [Google Scholar]
Переключение перпендикулярной намагниченности за счет спин-орбитальных моментов в отсутствие внешних магнитных полей
1
Miron, I. M. et al. Управляемый током вращающий момент, вызванный эффектом Рашбы в слое ферромагнитного металла. Nature Mater. 9 , 230–234 (2010).
Артикул Google ученый
2
Мирон И. М. и др.Перпендикулярное переключение одиночного ферромагнитного слоя, вызванное инжекцией тока в плоскости. Природа 476 , 189–193 (2011).
CAS Статья Google ученый
3
Лю Л.К., Ли, О.Дж., Гудмундсен, Т.Дж., Ральф, Д.С. и Бурман, Р.А. Переключение перпендикулярно намагниченных магнитных слоев, индуцированное током, с использованием спинового момента от спинового эффекта Холла. Phys. Rev. Lett. 109 , 096602 (2012).
4
Liu, L.Q. et al. Спиново-моментное переключение с гигантским спин-эффектом Холла тантала. Наука 336 , 555–558 (2012).
CAS Статья Google ученый
5
Kim, J. et al. Зависимость вектора эффективного поля, индуцированного током, от толщины слоя в вертикальной полосе Ta, CoFeB, вертикальной полосе MgO. Nature Mater. 12 , 240–245 (2013).
CAS Статья Google ученый
6
Вентилятор, X.и другие. Наблюдение нелокального спин-орбитального эффективного поля. Nature Commun. 4 , 1799 (2013).
7
Pai, C.F. et al. Устройства передачи крутящего момента, использующие гигантский спиновый эффект Холла вольфрама. Заявл. Phys. Lett. 101 , 122404 (2012).
Артикул Google ученый
8
Рю, К. С., Томас, Л., Ян, С. Х. и Паркин, С. Хиральный вращающий момент на магнитных доменных стенках. Nature Nanotech. 8 , 527–533 (2013).
CAS Статья Google ученый
9
Эмори, С., Бауэр, У., Ан, С. М., Мартинес, Э. и Бич, Г. С. Д. Динамика хиральных ферромагнитных доменных стенок, управляемая током. Nature Mater. 12 , 611–616 (2013).
CAS Статья Google ученый
10
Хаазен, П.P. J. et al. Депиннинг доменной стенки определяется спиновым эффектом Холла. Nature Mater. 12 , 299–303 (2013).
CAS Статья Google ученый
11
Ван К. Л., Альзате Дж. Г. и Амири П. К. Энергонезависимая спинтронная память с низким энергопотреблением: STT-RAM и другие. J. Phys. Д 46 , 074003 (2013).
12
Mangin, S. et al. Перемагничивание под действием тока в наностолбиках с перпендикулярной анизотропией. Nature Mater. 5 , 210–215 (2006).
CAS Статья Google ученый
13
Garello, K. et al. Симметрия и величина спин-орбитальных моментов в ферромагнитных гетероструктурах. Nature Nanotech. 8 , 587–593 (2013).
CAS Статья Google ученый
14
Ван Х. и Манчон А. Диффузионная спиновая динамика в тонких ферромагнитных пленках с взаимодействием Рашбы. Phys. Rev. Lett. 108 , 117201 (2012).
15
Манчон, А. Эффект Спин-Холла в сравнении с крутящим моментом Рашбы: диффузный подход. Препринт на http://arxiv.org/abs/1204.4869 (2012).
16
Бычков Ю.А., Рашба Е.И. Свойства электронного газа 2 d с повышенным спектральным вырождением. Письма в ЖЭТФ. 39 , 78–81 (1984).
Google ученый
17
Дьяконов, М.И., Перель В. И. Спиновая ориентация электронов в полупроводниках, индуцированная током. Phys. Lett. А 35А, 459–460 (1971).
Артикул Google ученый
18
Хирш, Дж. Э. Эффект Спина Холла. Phys. Rev. Lett. 83 , 1834–1837 (1999).
CAS Статья Google ученый
19
Чжан С.Ф. Спиновый эффект Холла при наличии спиновой диффузии. Phys. Rev. Lett. 85 , 393–396 (2000).
CAS Статья Google ученый
20
Sinova, J. et al. Универсальный собственный спиновый эффект Холла. Phys. Rev. Lett. 92 , 126603 (2004).
21
Галс, К. М., Братаас, А. Феноменология индуцированных током спин-орбитальных моментов. Phys. Ред. B 88 , 085423 (2013).
Артикул Google ученый
22
Шеллекенс, А.Дж., Ван ден Бринк, А., Франкен, Дж. Х., Свагтен, Х. Дж. М. и Купманс, Б. Управление движением доменной стенки в перпендикулярно намагниченных материалах электрическим полем. Nature Commun. 3 , 847 (2012).
23
Икеда, С. и др. Магнитный туннельный переход CoFeB – MgO с перпендикулярной анизотропией. Nature Mater. 9 , 721–724 (2010).
CAS Статья Google ученый
24
Манчон, А.и другие. Анализ кроссовера анизотропии, индуцированной кислородом, в трехслойных слоях Pt / Co / MO x . J. Appl. Phys. 104 , 043914 (2008).
Артикул Google ученый
25
Кита, К., Абрахам, Д. У., Гайек, М. Дж. И Уорледж, Д. С. Контроль электрического поля магнитной анизотропии пакетов Co0.6Fe0.2B0.2 / оксид с использованием пониженного напряжения. J. Appl. Phys. 112 , 033919 (2012).
26
Ян Х.X. et al. Исследование из первых принципов очень большой перпендикулярной магнитной анизотропии на границах раздела Fe / MgO и Co / MgO. Phys. Ред. B 84 , 054401 (2011).
27
Ли, О. Дж. И др. Центральная роль депиннинга доменной стенки для перпендикулярного переключения намагниченности, вызванного спиновым моментом от спинового эффекта Холла. Phys. Ред. B 89 , 024418 (2014).
28
Pi, U.H. et al. Наклон ориентации спина, вызванный эффектом Рашбы в слое ферромагнитного металла. Заявл. Phys. Lett. 97 , 162507 (2010).
Артикул Google ученый
29
Хвалковский А.В. и др. Согласование конфигурации доменной стенки и спин-орбитального момента для эффективного движения доменной стенки. Phys. Ред. B 87 , 020402 (2013).
30
Бховмик, Д., Ю, Л. и Салахуддин, С. Возможный путь к низкотоковому, высокоскоростному, динамическому переключению в перпендикулярной анизотропии переходе CoFeB – MgO с использованием спинового эффекта Холла Ta. 2012 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) , paper no. 29.7.1–29.7.4 (2012).
Влияние внешнего магнитного поля на распределение плотности и электромагнитных полей при взаимодействии короткого высокоинтенсивного лазерного импульса с бесстолкновительной разреженной плазмой
1.
Гинзбург В.Л .: Распространение электромагнитных волн в плазме. Пергамон, Оксфорд (1970)
Google ученый
2.
Чен Ф.Ф .: Введение в физику плазмы и управляемый синтез. Шпрингер, Берлин (2010)
Google ученый
3.
Mourou, G.A., Tajima, T., Bulanov, S.V .: Rev. Mod. Phys. 78 , 309 (2006)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
4.
Есарей Е., Головизнин Р., Транс, I.E.E.E .: Plasma Sci. 24 , 252 (1996)
Артикул Google ученый
5.
Коуэн, Т.Э., Хант, А.В., Филлипс, Т.В., Уилкс, С.К., Перри, Мэриленд, Браун, К., Фаунтин, У., Хэтчетт, С., Джонсон, Дж., Ки, М.Х., Парнелл, Т., Pennington, DM, Snavely, RA, Takahashi, Y .: Rev. Sci. Instrum. 70 , 265 (1999)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
6.
Mangles, S.P.D., Thomas, A.G.R., Lundh, O., Landau, F., Kaluza, M.C., Persson, A., Wahistrom, C.G., Krusheinick, K., Najmudin, Z .: Phys. Плазмы 14 , 056702 (2007)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
7.
Гордиенко С., Пухов А .: Phys. Плазмы 12 , 043109 (2005)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
8.
Шокри Б., Никнам А.Р .: Phys. Плазмы 13 , 113110 (2006)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
9.
Дэвис Дж., Петров Г.М., Великович А.Л .: Phys. Плазмы 12 , 123102 (2009)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
10.
Wei, M.S., Mangles, S.P.D., Najmudin, Z., Walton, B., Gopal, A., Tatarakis, M., Krushelnic, K .: Phys. Phys. Rev. Lett. 93 , 155003 (2004)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
11.
Коровин С.Д., Куркан И.К., Логинов С.В., Пегал И.В., Полевин С., Волков С.Н., Жерлицын А .: Часть лазера. Балки 21 , 175 (2003)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
12.
Стампер, Дж. А., Бондер, С. Э .: Phys. Rev. Lett. 37 , 435 (1976)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
13.
Татаракис, М., Уоттс, И., Бег, Ф.Н., Кларк, Э.Л., Дангор, А.Е., Гопал, А., Хейнс, М.Г., Норрейс, Пенсильвания, Вагнер, У., Вей, М. -S., Zepf, M., Krushelnick, K .: Nature (London) 415 , 280 (2002)
Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
14.
Вагнер, У., Татаракис, М., Гопал, А., Бег, Ф.Н., Кларк, Э.Л., Дангор, А.Е., Эваннс, Р.Г., Хейнс, М.Г., Норрейс, Пенсильвания, Вэй, М.С., Зефт, М., Крушельник , К .: Phys. Rev. Lett. 70 , 026401 (2004)
ADS Google ученый
15.
Пухов А., Мейер-тер-Вен Дж., Гопал А .: Phys. Rev. Lett. 76 , 3975 (1996)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
16.
Qiao, B., Zhu, S., Zheng, C.Y., He, X.T .: Phys. Плазмы 12 , 053104 (2005)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
17.
Presura, R., Plechaty, C., Martinez, D., Bakeman, MS, Laca, PJ, Haefner, C., Astanovit -skiy, AL, Thompson, M., Trans, IEEE: Plasma Sci. 36 , 17 (2008)
Артикул Google ученый
18.
Струве К.У., Портер, Дж. Л., Рованг, округ Колумбия: Генерация мегагауссского поля для научных экспериментов с плазмой с высокой плотностью энергии, отчет SANDIA No. SAND2008-7015, (2008)
19.
Симон, Р.Э., Бауэр, Б.С., Эйв, Т.Дж., Ангелова, М.А., Топливо, С., Гудрич, Т., Линдемут, И.Р., Махин, В., Атчисон, WL, Faehl, RJ, Reinovsky, RE, Turchi, PJ, Degnan, JH, Ruden, EL, Frese, MH, Garanin, SF, Mokhov, VN: J. Fusion Energy 27 , 235 (2008)
Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
20.
Portugall, O., Puhlmann, N., Mller, H.U., Barczewski, M., Stolpe, I., von Ortenberg, M .: J. Phys. D 32 , 2354 (1999)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
21.
Кларк, Э.Л. и др .: Phys. Rev. Lett. 84 , 6703 (2000)
Google ученый
22.
Элиэзер, С .: Взаимодействие мощных лазеров с плазмой, гл. III. IOP, Бристоль (2002)
23.
Лю, С.С.С., Трипати, В.К .: Взаимодействие электромагнитных волн с электронными пучками и плазмой, гл. VI. World Scientific, Сингапур (1994)
24.
Шарма А., Трипати В.К .: Phys. Плазмы 16 , 043103 (2009)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
25.
Гупта Д.Н., Хур М.С., Сук, Х .: Прил. Phys. Lett. 91 , 081505 (2007)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
26.
Югами, Н., Хигасигути, Т., Гао, Х., Сакаи, С., Такахаши, К., Ито, Х., Нисида, Ю., Кацулеас, Т .: Phys. Rev. Lett. 89 , 065003 (2002)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
27.
Дорраниан Д., Стародубцев М., Каваками Х., Ито Х., Югами Н., Нишид Й .: Phys. Ред. E 68 , 026409 (2003)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
28.
Дорраниан Д., Горанневис М., Стародубцев М., Ито Х., Югами Н., Нисида Ю.: Phys. Lett. A 331 , 77 (2004)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ МАТЕМАТИКА Google ученый
29.
Цунг Ф.С., Моралес Г.Дж., Тонг Дж .: Phys. Плазмы 14 , 042101 (2007)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
30.
Норрейс П.А., Бег Ф.Н., Сентоку Ю., Сильва, Л.О., Смит, Р.А., Тринес, R.M.G.M .: Phys. Плазмы 16 , 041002 (2009)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
31.
Дэвис Дж., Петров Г.М., Великович А.Л .: Phys. Плазмы 13 , 041002 (2009)
Google ученый
32.
Патак В.Б., Трипати В.К .: Phys. Плазмы 14 , 022105 (2007)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
33.
Дрюс, Р.Л., Кристиансен, М., Хаглер, М.О .: Труды Индийской академии наук — раздел A 86 , 255–263 (1977)
ADS Google ученый
34.
Садиги-Бонаби Р., Этехади-Абари, М .: Phys. Плазмы 17 , 032101 (2010)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
35.
Нестеров А.В., Незиев В.Г .: Журн. Физ. D Прил. Phys. 33 , 1817–1822 (2000)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
36.
Низиев В.Г., Нестеров А.В .: Журн. Физ. D Прил. Phys. 32 , 1455–1461 (1999)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
37.
Jordan, R.H., Hall, D.G .: Opt. Lett. 19 , 427–429 (1994)
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый
Намагничивание материала без приложения внешнего магнитного поля
Исследователи предлагают метод намагничивания материала без приложения внешнего магнитного поля.
Исследование показывает, что это явление может быть вызвано адиабатическим сжатием без какого-либо обмена теплом с окружающей средой. Процесс выравнивает вращения частиц материала и намагничивает систему.
Намагничивание материала без приложения внешнего магнитного поля предложено исследователями из Государственного университета Сан-Паулу (UNESP), Бразилия, в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports , где они подробно описывают экспериментальный подход, используемый для достижения этой цели.
Исследование было частью докторского исследования, проводимого Лукасом Сквилланте под руководством Мариано де Соуза, профессора физического факультета UNESP в Рио-Кларо. Свои вклады также внесли Исис Мелло, еще один кандидат наук, возглавляемый Соуза, и Антонио Серидонио, профессор кафедры физики и химии UNESP на острове Илья Сольтейра. Группу поддержал ФАПЕСП.
«Короче говоря, намагничивание происходит, когда соль сжимается адиабатически, без теплообмена с внешней средой», — сказал Соуза.«Сжатие повышает температуру соли и в то же время меняет вращение ее частиц. В результате общая энтропия системы остается постоянной, а система остается намагниченной в конце процесса ».
Исследование показывает, что это явление может быть вызвано адиабатическим сжатием без теплообмена с окружающей средой. Предоставлено: Geek3 / Wikimedia Commons
.
Чтобы понять это явление, стоит вспомнить основы спина и энтропии.
Спин — это квантовое свойство, которое заставляет элементарные частицы (кварки, электроны, фотоны и т. Д.), Составные частицы (протоны, нейтроны, мезоны и т. Д.) И даже атомы и молекулы вести себя как крошечные магниты, указывая на север или юг — вращение вверх. и вращение вниз — при воздействии магнитного поля.
«Парамагнитные материалы, такие как алюминий, который является металлом, намагничиваются только при приложении внешнего магнитного поля. Ферромагнитные материалы, в том числе железо, могут проявлять конечную намагниченность даже в отсутствие приложенного магнитного поля, потому что у них есть магнитные домены », — пояснил Соуза.
Энтропия — это в основном мера доступных конфигураций или состояний системы. Чем больше количество доступных состояний, тем больше энтропия. Австрийский физик Людвиг Больцманн (1844–1906), используя статистический подход, связал энтропию системы, которая является макроскопической величиной, с числом возможных микроскопических конфигураций, составляющих ее макросостояние. «В случае парамагнитного материала энтропия представляет собой распределение вероятностей, которое описывает количество вращений вверх или вниз в частицах, которые он содержит», — сказал Соуза.
В недавно опубликованном исследовании парамагнитная соль была сжата в одном направлении. «Приложение одноосной нагрузки уменьшает объем соли. Поскольку процесс проводится без теплообмена с окружающей средой, сжатие вызывает адиабатическое повышение температуры материала. Повышение температуры означает рост энтропии. Чтобы общая энтропия в системе оставалась постоянной, должен присутствовать компонент локального уменьшения энтропии, который компенсирует повышение температуры.В результате спины имеют тенденцию выравниваться, что приводит к намагничиванию системы », — сказал Соуза.
Полная энтропия системы остается постоянной, а адиабатическое сжатие приводит к намагничиванию. «Экспериментально адиабатическое сжатие достигается, когда образец сжимается в течение меньшего времени, чем требуется для тепловой релаксации — типичное время, необходимое системе для обмена теплом с окружающей средой», — сказал Соуза.
Исследователи также предполагают, что адиабатическое повышение температуры может быть использовано для исследования других взаимодействующих систем, таких как конденсаты Бозе-Эйнштейна в магнитных изоляторах и диполярные системы спинового льда.

Магнитное поле в веществе

Чем создается магнитное поле

Парамагнетики и диамагнетики

Ферромагнетики

Магнитная проницаемость

Чем создается магнитное поле постоянного магнита. Намагничивание

Чем создается постоянное магнитное поле

Урок 4. магнитные свойства вещества. электроизмерительные приборы — Физика — 11 класс

Однородное внешнее магнитное поле в Maxwell 2D/3D

Какие вещества усиливают магнитное поле

Чем создается магнитное поле

Парамагнетики и диамагнетики

Ферромагнетики

Магнитная проницаемость

Чем создается магнитное поле постоянного магнита. Намагничивание

Чем создается постоянное магнитное поле

Моделирование отклика микроферрогеля на внешнее магнитное поле

Аннотация

Литература

Использование внешних материальных моделей для магнитного моделирования

Методы задания моделей магнитных материалов

Новый инструмент External Material для задания внешних моделей материала

Внедрение новой функциональности в практику

Усовершенствуйте магнитное моделирование при помощи внешних материалов

2.7.3. Внешнее магнитное поле

2.7.4. Вращающаяся дуга

Внешнее магнитное поле — обзор

4.02.3.4 Дуговая плазма

Электромагнетизм — Направление внешнего и внутреннего магнитных полей

Исследователи предлагают метод намагничивания материала без приложения внешнего магнитного поля

Устранение влияния магнитного поля Земли на датчики магнитоупругого резонанса с помощью антисимметричного поля смещения

Bernhard Bergmair

Thomas Huber

Florian Bruckner

Christoph Vogler

Dieter Suess

Основные моменты

Abstract

1. Введение

2. Основополагающий принцип

3. Экспериментальная

4. Результаты и обсуждение

5. Заключение

Благодарности

Биографии

Список литературы

Переключение перпендикулярной намагниченности за счет спин-орбитальных моментов в отсутствие внешних магнитных полей

Намагничивание материала без приложения внешнего магнитного поля

alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ

Рубрики