Метод Гаусса. Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса) – изменение удельного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов в магнитном поле

Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса) – изменение удельного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов в магнитном поле.

При помещении образца прямоугольного сечения из проводникового или полу- проводникового материала в магнитное поле и пропускании по нему электрического тока, направление которого перпендикулярно вектору индукции магнитного поля, сопротивление образца будет возрастать (поперечный эффект Гаусса). Если магнитное поле направлено параллельно направлению тока, то наблюдается продольный эффект Гаусса. Следует отметить, что при продольном эффекте изменение магнитосопротивления незначительно, поэтому он не получил большого применения.

Магниторезистивный эффект, как и эффект Холла, проявляется исключительно в полупроводниках. Изменение удельного сопротивления вызвано тем, что носители заряда, перемещающиеся в полупроводнике под действием электрического поля, не имеют одинаковых скоростей. Скорости носителей заряда различны и подчиняются распределению, отвечающему статистике Ферми – Дирака. В результате этого поперечное поле Холла компенсирует влияние силы Лоренца только на носители заряда, имеющие среднюю скорость V. Поэтому траектория носителей заряда со скоростью большей или меньшей скорости V будет искривлена, что приведет к увеличению числа столкновений (уменьшению длины свободного пробега) и тем самым – к повышению удельного сопротивления полупроводника.

Зависимость удельного сопротивления от магнитной индукции в большом диапазоне изменения индукции можно описать формулой

где ρ0 - удельное сопротивление при В = 0; А – постоянная.

Из (3.17) следует, что при малых В (μВ << 1) удельное сопротивление ρ квадратично зависит от индукции В, а при больших значениях индукции удельное сопротивление достигает насыщения.

Изменение удельного сопротивления от магнитной индукции В может быть описана также приближенной формулой:

где n = (1–2) – в зависимости от величины (μВ).

Магниторезистивный эффект зависит также от направления магнитного поля и размеров образца. Эффект наиболее ярко выражен у пластин, имеющих форму диска Корбино, а также у некоторых сложных конфигураций.

Эффект Гаусса широко используется при построении датчиков магнитного поля, магниторезистивных датчиков.

Рассмотрим устройства для испытания изделий из магнитных материалов. Устройства испытаний изделий из ФММ по типу используемой МС классифицируют на устройства с разомкнутой, полуразомкнутой и замкнутой МС. Устройства с замкнутой МС предназначены для определения магнитных характеристик на образцах в форме цилиндров и параллелепипедов, имеющих шлифованные поверхности, а так же в форме тороидов. К ним относятся устройства промышленного изготовления: У541, У5022, У5030, У5032, У5045, У5056, АРСПГ-4, МИС-1, МК-3Э [27, 28, 29].

Для примера рассмотрим автоматическую установку МК-3Э, полностью заменяющую по техническим и метрологическим характеристикам более старую установку БУ-3. Она предназначена для автоматического измерения магнитных характеристик протяженных образцов в соленоиде и электромагните и кольцевых образцов МММ по методике ГОСТ 8.377-80.

На кольцевых образцах измеряют следующие магнитные характеристики: ОКН; петлю гистерезиса; остаточную магнитную индукцию B_r; коэрцитивную силу по индукции H_cB; максимальную магнитную проницаемость μ _max; магнитную проницаемость μ _e в заданном поле; начальную магнитную проницаемость μ_н; потери на гистерезис на частных и предельном циклах перемагничивания. На протяженных образцах измеряют характеристики: коэрцитивную силу H_c; остаточную магнитную индукцию образца B_r; магнитную индукцию B_m в максимальном поле.

Диапазон измерения напряженности создаваемого в МК-3Э МП, 0 – 500 кА/м; относительная погрешность измерений для доверительной вероятности 0,95 на кольцевых образцах, магнитной индукции ± 1,5 %, напряженности МП ± 2 %; время одного измерения – не более 25 мин.; размеры кольцевых образцов: наружный диаметр, 10 – 100 мм; высота, 2 – 50 мм размеры стержневых образцов: длина, не более 400 мм. Материал образцов – магнитномягкие сплавы, электротехнические стали и другие МММ.

Недостаток таких устройств – низкая производительность (время одного измерения 25 мин.) и трудность автоматизации операций установки изделий в измерительную позицию. Поэтому такие устройства предназначены для испытания образцов – свидетелей и изделий выпускаемых малыми партиями, и не могут быть применены для испытаний заготовок.

К устройствам с неполностью замкнутой магнитной цепью относятся устройства, использующие метод сравнения испытуемого изделия с образцовым и устройства, в которых при определении магнитных характеристик изделий учитывается размагничивающее поле. Наиболее распространенными устройствами, предназначенными для испытания в МС с разомкнутой магнитной цепью, являются коэрцитиметры. Основным недостатком этих устройств является непригодность для измерения других, кроме коэрцитивной силы, магнитных характеристик изделий из ФММ. Для примера приведем коэрцитиметр.

1 – электропитание, включая мощный импульсный генератор, 2 – ключ для изменения полярности, 3 – поле рассеяния катушки, 4 – два измерительных зонда, 5 – поле рассеяния пробы, 6 – проба, 7 – катушка, 8 – вычислительный блок и блок управления, присоединенный к персональному компьютеру,

9 – регулятор тока

Коэрцитиметр полностью автоматизирован, включая сортировку и регистрацию результатов измерения. Его недостатком является необходимость экранирования от магнитных помех и поля Земли катушки и магнитного сердечника. Чувствительность – 0,5 А/м, минимальная масса пробы –1 мг, погрешность измерения ± 0,5 %.

По способу создания внешнего поля известные устройства испытаний делятся на три группы:

1) с импульсным изменением внешнего поля;

2) с непрерывно изменяющимся внешним полем со скоростью, позволяющей пренебречь влиянием на процесс перемагничивания вихревых токов и магнитной вязкости;

3) с комбинированным перемагничиванием – импульсным намагничиванием до насыщения и плавным перемагничиванием медленно изменяющимся полем.

Сущность метода импульсного изменения внешнего поля состоит в том, что при изменении внешнего поля скачком изменяется магнитное состояние изделия от какого-либо исходного (размагниченное, намагниченное до максимального состояния, соответствующего остаточной индукции), до заданного. Одновременно измеряется изменение магнитной индукции .

Метод импульсного изменения внешнего поля применяется для определения основной кривой намагничивания, предельных и частных статических петель магнитного гистерезиса, кривых возврата, удельной магнитной энергии.

К достоинствам метода относятся:

· простота электрической схемы установки для реализации метода;

· возможность применения интеграторов со сравнительно высокими уровнями дрейфа.

К основным недостаткам метода можно отнести следующие:

· он позволяет измерять приращение магнитной индукции в испытуемом изделии, а не саму ее величину;

· большие скорости изменения перемагничивающего поля приводят к явлениям поверхностного экранирующего эффекта и недостаточному намагничиванию внутренних областей ПМ;

· нагрев ПМ, изготовленных из МТМ с высокой удельной проводимостью, возникающими вихревыми токами;

· возникновение больших динамических усилий, требующих применения специальных мер защиты намагничивающего устройства и ПМ от разрушения;

· невозможность за один цикл перемагничивания проконтролировать все магнитные параметры статической кривой размагничивания ПМ.

Метод непрерывного медленно изменяющегося МП позволяет за один цикл перемагничивания получить достаточный объем измерительной информации о магнитных свойствах изделия, однако обеспечение режима квазистатического перемагничивания приводит к усложнению перемагничивающего устройства.

На рис. приведена структурная схема прибора «MagHyst», разработанного совместно с «Штанбайсцентром» (Германия) и ЮРГТУ (НПИ) для испытаний изделий из МММ, реализующего метод квазистатического перемагничивания в режиме обеспечения постоянства скорости изменения магнитной индукции.

Структурная схема прибора «MagHyst»

Прибор «MagHyst» состоит из УИТ, блока преобразователей (БП), АЦП, ЦАП, микроконтроллера (МК) и персонального компьютера (ПК) типа IBM PC.

Намагничивающая и измерительная обмотки охватывают магнитопровод ИИ. Ток в намагничивающей обмотке вызывает намагничивающую силу Θ и магнитный поток Φ в магнитопроводе. Согласно заданной функции тока в магнитопроводе возникает изменение потока и в измерительной обмотке индуцируется напряжение US = dΨS/dt. Потокосцепление ΨS рассчитывается путем интегрирования напряжения в измерительной обмотке. Существующий при этом постоянный поток Ψ0 не учитывается. Расчет зависимости В (Н) выполняется по нижеприведенным формулам и пояснен на рис.

Магнитная цепь, электрические и магнитные параметры

Намагничивающая обмотка Измерительная обмотка

, , , , ,

где WP – число витков намагничивающей обмотки; WS – число витков измерительной обмотки; LFe –длина магнитопровода; AFe – площадь поперечого сечения магнитопровода; IP – ток намагничивающей обмотки; US – напряжение измерительной обмотки; Θ – намагничивающие ампер-витки; Φ – магнитный поток; ΨS – потокосцепление (в измерительной обмотке); H – напряженность МП, B – магнитная индукция.

Комбинированный метод перемагничивания наиболее широко применяется для испытаний изделий из различных типов магнитных материалов, отличается универсальностью и экономичностью. Его реализация связана с усложнением перемагничивающих и измерительных устройств, однако современная электронная база позволяет легко решить эту задачу.

По способам получения, обработки и представления измерительной информации, методы и технические средства испытаний целесообразно разделить на два типа: непосредственно реализующие физический эксперимент и сочетающие физический эксперимент с моделированием магнитных характеристик и параметров.

Устройства, реализующие физический эксперимент рассмотрим на примере информационно-измерительных систем (ИИС) для испытания изделий из ФММ выпускаемых фирмойMagnet-physik.

Информационно-измерительная система REMAGRAPH C -500– полностью автоматическая, под управлением программного обеспечения REMA установленного на ПК для измерения (квази-) статической петли гистерезиса изделий из МММ.

Внешний вид ИИС REMAGRAPH C -500

Измерения могут быть выполнены на брусках разной формы, полосках и кольцах. Для различных форм образцов используются разные полюсные наконечники и разные J -компенсационные катушки (рис.1.23).

Внешний вид полюсных наконечников и J -компенсационных катушек

Перед измерением образец размагничивают переменным МП с уменьшением его амплитуды. Частота и скорость размагничивания могут быть предварительно установлены. Измерение начинается или с максимальной напряженности МП или с заданного предела. Поляризация J измеряется при помощи J -компенсационной катушки 5. Напряженность МП H измеряется при помощи потенциальной катушки 6, которая измеряет разность потенциалов между двумя точками и располагается на минимально возможном расстоянии от поверхности образца. Измеренная разность потенциалов делится на расстояния между измеряемыми точками.

Схема MJR5

На этом рисунке использованы следующие обозначения: 1–образец; 2 – ярмо; 3 – сменный полюс для брусков и листов; 4 – намагничивающие катушки; 5 – J -компенсационная катушка; 6 – потенциальная катушка для измерения напряженности H; 7 – выход на J -веберметр; 8 – выход на H - веберметр.

Током, создаваемым в намагничивающих катушках 4, управляет персональный компьютер через пульт управления ST-P/R2. При измерении в квазистатическом режиме он регулируется так, чтобы изменение во времени плотности магнитного потока dB/dt было константа. Таким образом, влияние вихревых токов и магнитной вязкости на результат измерения незначительно. Напряженность H и поляризация J измеряются синхронно двумя веберметрами и передаются в персональный компьютер. Индукция МП B вычисляется из формулы B = J - μ₀ H. Петля гистерезиса строится прямо на мониторе во время измерения.

Технические характеристики: напряженность поля в намагничивающих катушках 0... ± 55 кА/м; время измерения 40 с для всей петли гистерезиса, а время размагничивания перед измерением 30 с.

Возможности: измерение начальной кривой намагничивания, измерение петли гистерезиса; измерение кольцевых, прямоугольных, круглых, листовых образцов, измерение с постоянной скоростью; измерение при неизменной плотности потока dB / dt, автоматическое размагничивание образцов перед измерением; вычисление остаточной магнитной индукции или намагниченности (B_r или J_r), коэрцитивной силы по индукции и намагниченности (H_cB  или  H_cJ), максимальной проницаемости  μ _{r max}, начальной проницаемости  μ _i. Аналогичная ИИС, но для испытания изделий из МТМ PERMAGRAPH Lпредставлена на рис.

Внешний вид ИИС PERMAGRAPH L

PERMAGRAPH L – полностью автоматическая установка под управлением программного обеспечения PERMA, установленного на ПК, состоит из блока питания SVP 2, главного управляющего и измерительного модуля ST-P-L, намагничивающей системы EP 3 или EP 5. Она позволяет измерять параметры образцов из материалов альнико, ферритов или редкоземельных магниты (например, самарий-кобальт, неодим-железо-бор).

Для измерения напряженности H и поляризации J МП используется одна сменная комбинированная измерительная катушка, встроенная в полюсный наконечник. Индукция МП B вычисляется из формулы B = J - μ₀ H.

Внешний вид измерительных катушек

Технические характеристики: время измерения 40... 120 с в зависимости от типа образца; максимальная напряженность МП в намагничивающих катушках – 2200 кА/м; выходная мощность блока питания – 3 кВт; напряжение питания ИИС – 380 В. Возможности: измерение кривой размагничивания, измерение полной петли гистерезиса, автоматическая остановка процесса измерения в коэрцитивной силе по намагниченности H_cJ или при максимальном токе в намагничивающих катушках I_max; вычисление остаточной магнитной индукции или намагниченности (B_r или J_r), коэрцитивной силы по индукции и намагниченности (H_cB  или  H_cJ), магнитной энергии W образца. Все измеренные и вычисленные значения сохраняются в виде таблиц для дальнейшей их обработки.

Поиск по сайту: