Использование магнитострикционного эффекта для измерения физических величин
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
Белорусский Национальный Технический Университет
Приборостроительный факультет
Кафедра Информационно-измерительной техники и технологий
Курсовая работа
по дисциплине: Физические основы измерений
тема: Использование магнитострикционного эффекта для измерения физических величин
Минск, 2010
Введение
Конец ХХ и начало XXI века без преувеличения можно назвать эпохой "гигантских эффектов". Начиная с 1965 г. было открыто полтора десятка физических феноменов, измеряемая величина в которых меняется от нескольких десятков до нескольких тысяч процентов. Это так поражало исследователей, что они по праву присваивали найденным эффектам титул гигантских. Особенно богатым на открытия был 2003 г., когда обнаружили четыре подобных явления (рисунок 1). Ряд этих многообещающих эффектов уже нашел применение в науке и технике, позволив сконструировать приборы и технические устройства с весьма высокими характеристиками.
Рисунок 1 - Открытие гигантских эффектов
Начнем с магнитострикционного эффекта, обнаруженного в ферромагнитных материалах (например, в железе, никеле и др.) еще в 1842 г. Суть эффекта магнитострикции показана на рисунке 2 и заключена в следующем: если поместить образец в магнитное поле, его форма и размеры изменятся. Это изменение было очень незначительным и в среднем составляло всего 0,003 %. Однако в 1961 г. у редкоземельных металлов тербия Tb, диспрозия Dy и некоторых их сплавов был открыт эффект гигантской магнитострикции, величина которого больше на два порядка:
0,5 % для сплава TbDyZn. Это позволило создать высокочувствительные магнитострикционные механизмы микроперемещений и нажимных устройств, принципиально новые генераторы мощного звука и ультразвука, сверхчувствительные приемники звука. Были улучшены характеристики линий задержки звуковых и электрических сигналов, а также других устройств для радиотехники и электросвязи.
Рисунок 2 - Суть эффекта магнитострикции
Стремительное развитие наноэлектроники послужит основой качественно нового этапа в разработке новейших информационных технологий, новых средств диагностики, связи. Успехи фундаментальных исследований, направленных на поиск новых гигантских эффектов, также будут способствовать осуществлению надежд, возложенных на наноэлектронику и наномеханику.
Магнитострикция определена как отличительная особенность ферромагнитных материалов для корректирования собственных размеров, когда они подвергнуты воздействию магнитных полей. Джеймс Джоуль обнаружил эту особенность в 1842 г., анализируя образец никеля.
Магнитострикционный эффект представлен обзором структуры ферромагнитного материала. Эти материалы могут быть продуманы как группы маленьких частей вещества, которые действуют как постоянные магниты. Когда материал не намагничен, эти маленькие части беспорядочны, но если материал намагничивается, все части выравниваются в одинаковом направлении. Влияние внешнего магнитного поля изменяет этот баланс и создает магнитострикционный эффект.
Основанный на полярности магнитострикционной характеристики, материал действует по-разному, если помещен в пределах магнитного поля, расширяясь с позитивной магнитострикцией и ограничиваясь с отрицательной магнитострикцией.
Другими словами, эта особенность позволяет ферромагнитным материалам быть использованными для трансформирования магнитной энергии внутри кинетической и обратной. Обратный эффект, т.е. изменение магнитного свойства ферромагнитного предмета, когда он подвергнут механическому удару, называется эффектом Вийяра.
В наличии также два других эффекта, взаимосвязанных с магнитострикцией: эффект Маттеучи (создание спиралеобразного магнитного поля магнитострикционным материалом, подвергнутого вращению) и эффект Вайдемана (противоположен эффекту Маттеучи, т. е. создание вращательного движения магнитострикционным предметом, подвергнутым спиралеобразному магнитному полю) [1].
В добавление к генерации фона, который может быть услышан у трансформаторов или высоковольтных устройств, магнитострикционный эффект используется для развития приводов и датчиков. Вышеупомянутые эффекты нужно рассматривать, когда создается первичный преобразователь перемещения, который в свою очередь использует магнитострикционное свойство ферромагнитных материалов.
К примеру, если взять провод, сделанный из ферромагнитного материала, с длиной, равной ходу, который должен быть измерен с датчиком. Если провод подвергнут магнитному полю, создаваемому магнитом, помещенным в определенной позиции и поставляемому току, скручивание генерируется посредством эффекта Вайдемана.
Полагая, что ток поставляется для очень коротких промежутков времени (импульсов), скручивание передается по проводу подобно звуковой волны, начиная от точки, где магнит помещен.
Звуковая волна действует вдоль всего провода до тех пор, пока не достигнет принимающего устройства, в котором (в соответствии с эффектом Вийяра) механическая нагрузка вызвана звуковой волной, порождающей изменение магнитных свойств другого компонента, сделанного из ферромагнитного материала, который в свою очередь производит ток.
Таймер проверяет время, прошедшее от передачи импул