Ученые создали модель максимально чувствительного датчика магнитного поля
Физики Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого (НовГУ) совместно с китайскими коллегами нашли формулу идеального «сэндвич»-материала для улавливания магнитных полей и создали на его основе датчик, который максимально чувствительно реагирует на магнитные поля. Разработка открывает путь к созданию компактных антенн для подводной и подземной связи.
Авторы провели исследование, результаты которого позволят создавать более эффективные устройства для преобразования магнитной энергии в электрическую — магнитоэлектрические преобразователи. Это ключевые компоненты для технологий будущего, таких как сверхчувствительные датчики магнитного поля и компактные низкочастотные антенны для связи в сложных условиях — под водой или под землей, где обычные радиоантенны плохо работают.
Материалы, способные «откликаться» на магнитное поле и генерировать электричество, известны давно. Чаще всего их комбинируют в виде «сэндвича», состоящего из магнитострикционного слоя, который сжимается в магнитном поле, склеенного с пьезоэлектрическим слоем, который при сжатии вырабатывает напряжение. Обычно на практике магнитный слой делают короче, чтобы осталась свободная полоска материала для контактов. Но это обстоятельство мешает расчетам — сложно предсказать то, как будет вести себя такой «неидеальный» материал при той или иной конструкции.
До сих пор точное влияние такой неоднородной структуры на итоговую производительность разных устройств было плохо изучено. Инженеры часто действовали методом проб и ошибок, что замедляло и делало дорогостоящим создание новых приборов.
В новой работе ученые из России и Китая сосредоточились на моделировании и испытании таких неоднородных структур. Они подробно изучили, что происходит, когда магнитный слой длиннее пьезоэлектрического, и наоборот, а также как влияет на результат изменение размеров электродов. Для этого была создана сложная математическая модель, описывающая физические процессы в каждом миллиметре композитного «сэндвича». Затем теорию проверили на практике: исследователи склеивали образцы из пьезоэлектрической пластинки PZT-35 и магнитострикционных лент из аморфного сплава AMAG, после чего замеряли, как сильно образец «отзывается» на переменное магнитное поле разной частоты.
«Наиболее интересным оказался вывод о конструкции, работающей на изгиб, а не на растяжение. Если сделать электроды не на всю длину, а только на ее треть, то чувствительность датчика может вырасти в разы. Это происходит потому, что самые сильные деформации в материале при изгибе сосредоточены в определенном месте. Разместив электрод именно там, можно снять максимально возможный сигнал, игнорируя остальные, менее эффективные участки пластины», — рассказал один из участников исследования, сотрудник кафедры проектирования и технологии радиоаппаратуры Политехнического института НовГУ Олег Соколов.
Расчеты показали, что датчик на основе сплава железа и кобальта с добавлением ванадия с электродами, покрывающими только треть его длины, демонстрирует выдающуюся эффективность. Его магнитоэлектрический коэффициент достиг значения 340 вольт на сантиметр-эрстед — это высокий показатель, превышающий результаты многих предыдущих работ. При этом сам датчик резонирует на магнитное поле с частотой около 94,5 герц. Этот показатель относится к низкочастотному диапазону, который идеально подходит, например, для подводной связи или геологоразведки, где высокие частоты плохо проникают через среды. Таким образом, получилась не просто чувствительная, но и практически применимая конструкция.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда.