Гигантский магнитоимпеданс
В материаловедении гигантский магнитоимпеданс (ГМИ) — это эффект, который возникает в некоторых материалах, когда внешнее магнитное поле вызывает большие изменения в электрическом импедансе материала. Его не следует путать с отдельным физическим явлением Гигантского Магнитосопротивления .
Феноменология ГМИ
[ редактировать ]GMI обусловлен длиной проникновения , которая является мерой того, насколько глубоко переменный электрический ток может течь внутри электрического проводника . Длина проникновения (также известная как скин-эффект) увеличивается пропорционально квадратному корню из удельного электрического сопротивления материала и обратно пропорциональна квадратному корню из произведения магнитной проницаемости и частоты переменного электрического тока. Так, в материалах с очень высокими значениями магнитной проницаемости, например в мягких ферромагнетиках, длина проникновения может быть значительно меньше толщины проводника даже при умеренных значениях частот, вызывающих ток вблизи поверхности материала.
При приложении внешнего магнитного поля размер проницаемости уменьшается, увеличивая проникновение тока в магнитный материал. Большие изменения наблюдаются как в синфазной, так и в противофазной составляющей магнитоимпеданса для приложенных магнитных полей, близких к величине магнитного поля Земли до нескольких десятков Эрстед. Для сравнения: в обычных электрических проводниках влияние толщины скин-слоя становится важным только для частот микроволнового диапазона.
Несмотря на то, что зависимость ГМИ от геометрии электрического проводника (ленты, проволоки, многослойные меандры) и внешних параметров достаточно сложна, существуют теоретические модели, позволяющие рассчитать ГМИ с точностью до некоторых приближений. [ 1 ] [ 2 ] Помимо зависимости ГМИ от частоты тока, существуют и другие источники, влияющие на частотную зависимость ГМИ, такие как движение доменной стенки и ферромагнитный резонанс . [ 3 ]
Экспериментальное измерение
[ редактировать ]Типичная экспериментальная установка для исследования ГМИ в исследовательских лабораториях показана ниже. Он включает в себя источник переменного тока, фазочувствительный усилитель для определения переменного напряжения на образце и электромагнит для приложения постоянного магнитного поля. или печь . криостат Для измерения температурной зависимости ГМИ может потребоваться [ 4 ]
Также было проведено несколько экспериментальных измерений для характеристики долгосрочной стабильности и теплового дрейфа ГМИ, которые были подтверждены теоретической моделью, описывающей физическое моделирование чувствительного элемента. [ 5 ]
История
[ редактировать ]Наблюдение того, что на импеданс магнитомягких материалов влияют частота и амплитуда приложенных магнитных полей, было впервые обнаружено в 1930-х годах. [ 6 ] [ 7 ] Эти первоначальные исследования были ограничены частотами в несколько сотен Гц, и изменения импеданса, о которых сообщалось в этих работах, были небольшими. Начиная с 1990-х годов это явление вновь исследовали, на этот раз с использованием токов частотой в сотни кГц. [ 8 ]
Из-за огромных изменений, наблюдаемых в зависимости магнитоимпеданса от магнитного поля, его назвали гигантским магнитоимпедансом. [ 9 ] Из-за высокой чувствительности датчиков, использующих эффект GMI, они используются в компасах , акселерометрах , обнаружении вирусов, биомагнетизме и других приложениях. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мачадо; и др. (15 апреля 1996 г.). «Теоретическая модель гигантского магнитоимпеданса в лентах из аморфных ферромагнитных сплавов». Журнал прикладной физики . 79 (8): 6558–6560. Бибкод : 1996JAP....79.6558M . дои : 10.1063/1.361945 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Панина; и др. (1 марта 1995 г.). «Гигантский магнитоимпеданс в аморфных проволоках и пленках с содержанием ко-обогащения». Транзакции IEEE по магнетизму . 31 (2): 1249–1260. Бибкод : 1995ITM....31.1249P . дои : 10.1109/20.364815 . ISSN 0018-9464 .
- ^ Мачадо; и др. (1999). «Измерения поверхностного магнитоимпеданса в мягких ферромагнитных материалах». Физический статус Солиди А. 173 (1): 135–144. Бибкод : 1999ПССАР.173..135М . doi : 10.1002/(SICI)1521-396X(199905)173:1<135::AID-PSSA135>3.0.CO;2-# .
- ^ Рибейро; и др. (05.09.2016). «ГМИ в возвратно-стеклянном сплаве Fe90Zr10: исследование спиновой динамики в частотном режиме МГц». Письма по прикладной физике . 109 (10): 102404. Бибкод : 2016ApPhL.109j2404R . дои : 10.1063/1.4962534 . ISSN 0003-6951 . ОСТИ 1467896 .
- ^ Эспер; и др. (15 августа 2020 г.). «Теоретическое и экспериментальное исследование недиагонального магнитометра ГМИ с температурной компенсацией и его долговременной стабильности» . Журнал датчиков IEEE . 20 : 9046-9055. дои : 10.1109/JSEN.2020.2988939 . S2CID 219091478 .
- ^ ХАРРИСОН, EP; ТЕРНИ, ГЛ; РОУ, Х. (1935). «Электрические свойства проводов высокой проницаемости» . Природа . 135 (3423): 961. Бибкод : 1935Natur.135..961H . дои : 10.1038/135961a0 . S2CID 4137307 .
- ^ Харрисон, EP; Терни, ГЛ; Роу, Х.; Голлоп, Х. (2 ноября 1936 г.). «Электрические свойства проводов с высокой проницаемостью, проходящих переменный ток» . Труды Лондонского королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 157 (891): 451–479. Бибкод : 1936RSPSA.157..451H . дои : 10.1098/rspa.1936.0208 . ISSN 1364-5021 .
- ^ Мачадо; и др. (15 мая 1994 г.). «Гигантское переменное магнитосопротивление в мягком ферромагнетике Co70,4Fe4,6Si15B10». Журнал прикладной физики . 75 (10): 6563–6565. Бибкод : 1994JAP....75.6563M . дои : 10.1063/1.356919 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Панина; и др. (15 ноября 1994 г.). «Гигантский магнитоимпеданс и магнитоиндуктивные эффекты в аморфных сплавах (приглашено)». Журнал прикладной физики . 76 (10): 6198–6203. Бибкод : 1994JAP....76.6198P . дои : 10.1063/1.358310 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Кнобель, М.; Васкес, М.; Краус, Л. (2003). Бушоу, KHJ (ред.). Гигантский магнитоимпеданс в Справочнике по магнитным материалам . Нидерланды: Эльзевир. стр. 497–564. ISBN 978-0-444-51459-2 .
- ^ Кнобель, М.; Пирота, КР (1 апреля 2002 г.). «Гигантский магнитоимпеданс: концепции и последние достижения». Журнал магнетизма и магнитных материалов . Труды Объединенного европейского магнитного симпозиума (JEMS'01). 242–245, Часть 1: 33–40. Бибкод : 2002JMMM..242...33K . дои : 10.1016/S0304-8853(01)01180-5 .
- ^ Фан, Мань-Хыонг; Пэн, Хуа-Синь (1 февраля 2008 г.). «Гигантские магнитоимпедансные материалы: основы и приложения». Прогресс в материаловедении . 53 (2): 323–420. дои : 10.1016/j.pmatsci.2007.05.003 .