List of orders of magnitude for magnetic fields. Faktor Hodnota Item

Transcript

1 Princípy 1. Odporové Princípy Richard Balogh 1 Odporové 2 Kapacitné 3 Magnetické Senzorové systémy v CIM, LS Optické 5 Akustické Hallov (d.ú. str. 103) 8 Siebeckov (d.ú. str. 106) 9 Peltierov (d.ú. str. 111) Jacob Fraden: Handbook of Modern Sensors. 4th ed., Springer, Závislost od: 1. teplota R=ρ l A R=R 0 (1+α t) kovy: PTCα polovodiče a oxidy: NTCα 2. piezorezistívny jav 3. vlhkost Richard Balogh Princípy 1/36 2/36 2. Kapacitné 3. Magnetické 3. Magnetické História: C=ε 0 ε r A d Závislost od: 1. teplota 2. tlak 3. vlhkost 4. zmena materiálu magnetit Fe 3 O 4 (Čína, 3000 p.n.l.) Zem magnet (William Gilbert, 1600) súvis s elektrinou (H. CH. Oersted, 1820) elektromagnetická indukcia, pole (M. Faraday, 1831, 1845) teória elmg. pol a (J.C. Maxwell, 1873) vysvetlenie magnetu (A. Einstein) Magnetické pole okolo a) permanentných magnetov aj b) vodičov el. prúdu. 3/36 4/36 5/36 Magnetické veličiny List of orders of magnitude for magnetic fields. Vlastnosti materiálov jednotky: indukcia B [T] (1 T = G [gauss]) intenzita H [A/m] (1 A/m = 4π.10 3 Oe [oersted]) permeabilita µ [H/m] (µ=µ 0.µ r ) (µ 0 = 4π.10 7 [H/m]) B=µH=µ 0 µ r H Faktor Hodnota Item ,1 1,0 pt magnetické pole mozgu µT magnetofónová páska blízko záznamovej hlavy µT Zemské magnetické pole na rovníku (lat 0 ) 58µT Zemského magnetické pole na 50 rovnobežke (lat 50 lat) mt bežný chladničkový magnet ,4 T vo vzduchovej medzere typického reproduktora 1,25 T moderný Nd2Fe14B magnet 1,5 3 T lekárske NMR vyšetrenie (exp. až do 8 T) T levitujúca žaba 36,2 T max. trvalé mag. pole bez supravodičov 45 T max. trvalé mag. pole laboratórne (USA) ,8 kt max. impulzné mag. pole laboratórne (Rusko) MT pole neutrónovej hviezdy ,1 100 GT pole magnetaru sú dané štruktúrou stavby atómu (počet elektrónov, spin, jeho kompenzácie...) a podl a permeabilityµ r delíme na: diamagnetické µ r 1 (0,9999) (Cu, Ag, Be, Zn, Hg, Ge, Pb, Bi, Se ) paramagnetické µ r 1 (1,000111) (Na, K, Mg, Ca, Al, Sn, Mn, Pt, O2...) feromagnetické µ r >> 1 (50000) (Fe, Co, Ni, aj zliatiny) Aj tzv. Heuslerove zliatiny - z paramagnetických prvkov Mn-Al-Cu, resp. Mn-Sn-Cu majú feromagnetické vlastnosti (15%Mn, 10%Al, 75%Cu má B max ako Ni) 6/36 7/36 8/36

2 Feromagnetiká magnetické domény Curieho teplota Magnetické domény T c látka stráca feromagnetické vlastnosti Látka Curieho teplota [ C] Železo (Fe) 770 Kobalt (Co) 1130 Nikel (Ni) 358 Gadolinium (Gd) 19 Oxid železitý (Fe 2 O 3 ) 622 Obr. : Mikrofotografia NdFeB s viditel nými doménami. 9/36 Hysterézna krivka 10/36 Feromagnetiká 11/36 Magneticky mäkké materiály zadaná tabul kou, alebo graficky získa sa meraním na hotových materiáloch úzka hysterézna krivka nízka hodnota Hc (2 až 10 A/m) 1 krivka prvotnej magnetizácie B magnetická indukcia B=µ.H H intenzita magnetického pol a B r remanentná indukcia H c koercitívna sila B max max. dosiahnutel ná indukcia tgβ µ=tgβ= B H diferenciálna permeabilita (v pracovnom bode) µ 0 permeabilita vákua 4π.10 7 H/m pričomµ=µ 0.µ r magneticky mäkké materiály magneticky tvrdé materiály a.) izotropný (trafoplech) b.) anizotropný orientácia so smerom B c.) anizotropný orientácia na smer B Poznámka: Anizotropia vzniká i pri mechanickom namáhaní. Pri t ahu rastie rel. permeabilitaµ r, teda i mag. vodivost orientované materiály 12/36 Straty v materiáli Hysterézne straty - závisia od H c, hodnoty B a od f Vírivé straty - závisia odρ(merný odpor) a od f 2 13/36 Magneticky mäkké materiály: Hysterézna slučka 14/36 Hysteresis loop of 400nm Mumetal film µ i - počiatočná (absolútna) permeabilita, dotyčnica v bode 0 [A/m] µ m ax - maximálna permeabilita, dotyčnica v inflexnom bode krivky prvotnej magnetizácie Obr. : Hysteresis loops of 400 nm Mumetal film. Magnetic field is applied at different angles with respect to the easy axis (freq. = 101 Hz). 15/36 16/36 17/36

3 Magneticky mäkké materiály: kovové Elektromagnet Magneticky mäkké materiály: ferity Plechy s rôznou hrúbkou: strihané vinuté - toroid, C jadro (orientované plechy) leptané - vel mi tenké (cca 3µm) Dôležité hodnoty: B max, B r, H c,µ. B max pre rôzne materiály: kremíková ocel do 1,8 T zliatiny do 2 T vinuté Poznámka: zliatina Fe-Co: B max = 2,43 T pri H = 100 A/m. Vzduchová medzera v obvode: parazitná (má byt čo najmenšia) žiadaná, kedy: - linearizuje krivku (zmenšíµ r ) - stabilizuje parametre - zabraňuje presýteniu (tlmivky) lisované spekané materiály malá elektrická vodivost ( = Ωm) malé vírivé straty menšia B max, okolo 0,3 až 0,4 T mechanicky ako keramika, tvrdé a krehké obrábanie - brúsenie, ultrazvuk 18/36 Magneticky mäkké materiály: ferity 19/36 Magneticky tvrdé materiály 20/36 Zaujímavosti permanentné magnety vysoké H c, typ ka/m a) kovové AlNiCo (+Fe) b) ferity Ba, Sr, krehké c) vzácne zeminy Nd, Sm-Co Nd 2 Fe 14 B, (N48: B r = 1,38 T / H c = ka/m / T c = 80 C) Plastický magnet vyrobený z organického polyméru PANiCNQ polyanilín (PANi) a tetracyanochinodimetán (TCNQ). Využitie v medicíne. Kravský magnet kovový AlNiCo magnet v plaste, zber kúskov kovu v bachore. 21/36 22/36 Fyzikálne veličiny 23/36 Zn. jednotky veličina I [A] Ampér elektrický prúd B [T] Tesla magnetická indukcia H [A/m] intenzita magnetického pol a µ o [H/m] 4π10 7 permeabilita vákua σ r [-] koeficient rozptylu σ p [-] koeficient úbytku na magneticky mäkkých častiach Ampérov zákon: H dl= ( B M) dl=i tot I b = I f µ 0 Magnetický tok (def.): Φ B = B ds=b S=BS cosθ, S 24/36 25/36 26/36

4 Pre konkrétny obvod môžeme zjednodušit : I= H m l m + H v δ+h z l z =±NI Φ=B m S m = B v S v σ r B v =µ 0 H v Koeficient rozptylu vo vzduchovej medzere (1,2 3) σ r = R v+ R r R r > 1 Koeficient úbytku na magneticky mäkkých častiach σ p = H vδ+h z l z H v δ > 1 pre reálnu vzduchovú medzeru zanedbávame, hodnota 1. Využijeme na úpravu Ampérovho zákona I= H m l m + H v δ+h z l z =±NI I= H m l m +σ p H v δ=±ni I= H m l m +σ p H v δ=±ni Upravíme rovnice pre magnetický tok po dosadení a po úprave dosadíme do Ampérovho zákona Φ=B m S m = B v S v σ r B v =µ 0 H v B m S m =µ 0 H v S v σ r H v = B ms m H m l m + B ms m σ p δ=±ni 27/36 pokračujeme v úpravách 28/36 29/36 H m l m + B ms m δσ p =±NI H m l m + B m S m δσ p =±NI δb m S m σ p = H m l m ± NI l m S v σ r 1 S v σ r B m = µ 0 H m ±µ 0 NI δ S m σ p δ S m σ p Rovnica pracovnej priamky B m = kh m ± q l m S v σ r B m = µ o H m ± S v 1σ r µ o NI δ S m σ p S m δσ p 30/36 31/36 Demagnetizácia 32/36 Zmagnetovanie PM 33/36 34/36 35/36

5 Stabilizácia parametrov Starnutie (ageing) prirodzené umelé - teplotou - odmagnetovaním (cca 10%) 36/36