Efekt Néel - Néel effect

v superparamagnetismus (forma magnetismus ), Efekt Néel se objeví, když je ve vedení superparamagnetický materiál cívka podléhá různým frekvencím magnetické pole. Nelineárnost superparamagnetického materiálu působí jako a frekvenční směšovač, s napětím měřeným na svorkách cívky. Skládá se z několika frekvenčních složek, na počáteční frekvenci a na frekvencích určitých lineárních kombinací. Frekvenční posun měřeného pole umožňuje detekci a stejnosměrný proud pole se standardní cívkou.

Magnetizující superparamagnetický materiál

Dějiny

V roce 1949 francouzský fyzik Louis Néel (1904-2000) zjistili, že když jsou jemně rozděleni, feromagnetický nanočástice ztratit jejich hystereze pod určitou velikost;^[1][2] tento jev je znám jako superparamagnetismus. Magnetizace těchto materiálů podléhá aplikovanému poli, které je vysoce nelineární.

Tuto křivku dobře popisuje Langevinova funkce, ale pro slabá pole lze jednoduše napsat jako:

${ displaystyle M (H) = chi _ {0} H + N_ {e} H ^ {3} + varepsilon (H ^ {3})}$,

kde ${ displaystyle chi _ {0}}$ je citlivost při nulovém poli a ${ displaystyle N_ {e}}$ je znám jako Néelův koeficient. Koeficient Néel odráží nelinearitu superparamagnetických materiálů v nízkých polích.

Teorie

Ilustrace efektu Néel

Pokud je cívka ${ displaystyle N}$ otáčí s povrchem ${ displaystyle S}$ kterým prochází budicí proud ${ displaystyle I _ { text {exc}}}$ je ponořen do magnetického pole ${ displaystyle H_ {ext}}$ kolineárně s osou cívky je uvnitř cívky uložen superparamagnetický materiál.

The elektromotorická síla ke svorkám vinutí cívky, ${ displaystyle e}$, je dáno vzorcem:

${ displaystyle e = -d phi / dt = -SdB / dt}$

kde ${ displaystyle B}$ je magnetická indukce dané rovnicí:

${ displaystyle B = mu _ {0} mu _ {r} (H + M)}$

Při absenci magnetického materiálu

${ displaystyle M = 0}$

a

${ displaystyle B = mu _ {0} mu _ {r} (H_ {ext} + H _ { text {exc}})}$.

Při rozlišení tohoto výrazu je frekvence napětí stejná jako budicí proud ${ displaystyle i _ { text {exc}}}$ nebo magnetické pole ${ displaystyle H_ {ext}}$.

V přítomnosti superparamagnetického materiálu, zanedbávající vyšší podmínky Taylorovy expanze, získáme pro B:

${ displaystyle B = mu _ {0} mu _ {r} ((1+ chi _ {0}) (H_ {ext} + H _ { text {exc}}) + N_ {e} (H_ {ext} + H _ { text {exc}}) ^ {3})}$

Nová derivace prvního členu rovnice ${ displaystyle mu _ {0} mu _ {r} (1+ chi _ {0}) (H_ {ext} + H _ { text {exc}})}$ poskytuje složky frekvenčního napětí proudu vzrušení ${ displaystyle i _ { text {exc}}}$ nebo magnetické pole ${ displaystyle H_ {ext}}$.

Vývoj druhého funkčního období ${ displaystyle (H_ {ext} + H _ { text {exc}}) ^ {3} = H_ {ext} ^ {3} + 3H_ {ext} ^ {2} H _ { text {exc}} + 3H_ {ext} H _ { text {exc}} ^ {2} + H _ { text {exc}} ^ {3}}$ znásobí frekvenční složky, ve kterých intermodulární frekvence spouštějí komponenty, a generuje jejich lineární kombinace. Nelineárnost superparamagnetického materiálu působí jako frekvenční směšovač.

Povolání ${ displaystyle H (l)}$ celkové magnetické pole v cívce na úsečka, integrující výše uvedenou indukční cívku podél úsečky mezi 0 a ${ displaystyle L_ {p}}$ a rozlišovat s ohledem na ${ displaystyle t}$ získává:

${ displaystyle u (t) = L { frac {dI (t)} {dt}} + F_ {Rog} { frac {d} {dt}} vlevo [ int _ {0} ^ {H} Lp (l) dl right] + F _ { text {Neel}} left [ int _ {0} ^ {H} Lp (l) dl right] I (t) { frac {dI (t) } {dt}}}$

s ${ displaystyle I _ { text {exc}} (t) = I _ { text {exc}} cos (w _ { text {exc}} t)}$

Spektrální znázornění vzhledu EMF v důsledku Néelova efektu kolem vysokofrekvenčního nosiče

Konvenční pojmy vlastní indukčnost a Rogowského efekt se nacházejí v obou původních frekvencích. Třetí termín je způsoben Néel efektem; hlásí to intermodulace mezi budicím proudem a vnějším polem.

Když je budicí proud sinusový, účinek je Néel charakterizován výskytem druhé harmonické nesoucí pole toku informací:

${ displaystyle u (t) = LI _ { text {exc}} w _ { text {exc}} cos (w _ { text {exc}} t) + F_ {Rog} { frac {d} {dt }} left [ int _ {0} ^ {Lp} H_ {ext} (l) dl right] + F _ { text {Neel}} left [ int _ {0} ^ {Lp} H_ { ext} (l) dl right] { frac {I _ { text {exc}} ^ {2}} {2}} w _ { text {exc}} sin (2w _ { text {exc}} t )}$

Aplikace

Návrh snímače proudu s efektem Néel

Důležitou aplikací efektu Néel je jako proudový senzor, měření magnetického pole vyzařovaného vodičem proudem;^[3] to je princip senzorů proudu s efektem Néel.^[4] Efekt Néel umožňuje přesné měření proudů pomocí snímačů velmi nízkofrekvenčního typu v proudovém transformátoru bez dotyku.

The převodník proudového senzoru s Néel-efektem se skládá z cívky s jádrem superparamagnetických nanočástic. Cívkou prochází budicí proud:

${ displaystyle i _ { text {exc}} (t)}$.

V přítomnosti externího magnetického pole, které se má měřit:

${ displaystyle H_ {ext} (t)}$

převodník převádí (s Néel efektem) informace, které mají být měřeny, H (f) kolem a nosná frekvence harmonická budicího proudu řádu 2:

${ displaystyle f _ { text {exc}}}$

což je jednodušší. Elektromotorická síla generovaná cívkou je úměrná magnetickému poli pro měření:

${ displaystyle H_ {ext} (t)}$

a na druhou mocninu budicího proudu:

${ displaystyle fem (t) = F _ { text {Neel}} i _ { text {exc}} ^ {2} (t) H (t)}$

Aby se zlepšil výkon měření (jako je linearita a citlivost na teplotu a vibrace), snímač obsahuje druhou trvalou reakci vinutí proti němu, aby se zrušila druhá harmonická. Vztah aktuální reakce proti primárnímu proudu je úměrný počtu otáček proti reakci:

${ displaystyle I_ {cr} = I_ {p} / N_ {cr}}$.

Reference

Viz také

• Superparamagnetismus
• Louis Néel