XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Прямой магнитоэлектрический (МЭ) эффект проявляется в виде индуцирования электрической поляризации в материале во внешнем магнитном поле. Он представляет довольно большой интерес для практических применений. По сравнению с однофазными материалами различные МЭ композиты (структуры) демонстрируют гигантский МЭ-отклик при комнатной температуре [1, 2, 3]. В феррит-пьезоэлектрических структурах МЭ эффект обусловлен механическим взаимодействием магнитной и электрической подсистем. Экспериментальные исследования в области МЭ эффекта важны для проектирования новых устройств на его основе [4, 5].

В данной работе рассматриваются экспериментально полученные данные о МЭ эффекте в тороидальных трехслойных структурах, которые в будущем будут использоваться при проектировании датчика высоких постоянных токов.

Цель исследования

Целью данного исследования является сравнение рассматриваемых МЭ структур, отличающихся только количеством слоев материала Metglas, при воздействии на нихмагнитного поля, создаваемого проводником с постоянным током.

Материал и методы исследования

Проведено экспериментальное исследование МЭ эффекта в трехслойных тороидальных МЭ структурах, состоящих из магнитострикционного материала Metglas на основе никеля и пьезоэлектрика PZT-19. Исследование проводилось с помощью синхронного усилителя MFLI (Medium Frequency Lock-in) Zurich Instruments, который включает в себя генератор сигналов для создания переменного магнитного поля в структуре и осциллограф для снятия выходного напряжения. Электроды для снятия выходного напряжения были припаяны к верхней и нижней поверхностям Metglas и подключены к синхронному усилителю вместе с выводами намотанной на МЭ структуру катушки. Через отверстие МЭ структуры проходит прямолинейный проводник с постоянным током величиной .

Результаты исследования и их обсуждение

В настоящем исследовании рассматривается трехслойная МЭ структура, состоящая из магнитострикционной (Metglas) и пьезоэлектрической (PZT-19) фаз. На рисунке 1 приведена исследуемая структура и указаны направления постоянного магнитного поля , создаваемого проводником с током, переменного магнитного поля , создаваемого медной катушкой, намотанной на структуру, и тока .

Рисунок 1 – Тороидальная МЭ структура

Для эксперимента были изготовлены две МЭ структуры: 1) SS (Single Sandwich) структура с внешним и внутренним диаметрами 8 и 3 мм, соответственно, толщиной ~ 1040 мкм и одним слоем Metglas как сверху, так и снизу кольца PZT-19; 2) DS (Double Sandwich) структура с внешним и внутренним диаметрами 8 и 3 мм, соответственно, толщиной ~ 1080 мкм и двумя слоями Metglas как сверху, так и снизу кольца PZT-19.

В результате эксперимента была получена частотная зависимость выходного напряжения для SS- и DS структур (рисунок 2).

Рисунок 2 – Зависимость выходного напряжения от частоты подаваемого сигнала при постоянном токе 1 А для SS- и DS структур

Из рисунка видно, что выходной сигнал DS структуры в момент резонанса мВ почти в 2 раза (в 1,7 раз) превышает выходной сигнал у SS структуры мВ. При этом при переходе от SS к DS структуре резонансная частота сдвигается вправо с 188,7 до 196,6 кГц.

Заключение

Из данного экспериментального исследования можно сделать вывод, что в зависимости от увеличения объёмной доли магнитострикционного материала в тороидальной МЭ структуре наблюдается сдвиг резонансной частоты и увеличение выходного напряжения.

Список литературы

Бичурин М.И., Петров В.М., Беличева К.В. Магнитоэлектрический эффект в области электромеханического резонанса в трехслойных магнитострикционно-пьезоэлектрических структурах // Вестник НовГУ, Сер.: Техн. науки, 2016, № 4(95). С. 13-16.

Bichurin M.I., Filippov D.A., Petrov V.M., et al. Resonance magnetoelectric effects in layered magnetostrictive-piezoelectric composites // Phys. Rev. B. 2003. V.68. P.132408 (1-4).

Bichurin M.I., Viehland D. Magnetoelectricity in Composites. Pan Stanford Publshing Pte. 2012. P. 273.

Palneedi H., Annapureddy V., Priya S., Ryu J. Status and Perspectives of Multiferroic Magnetoelectric Composite Materials and Applications. 2016. P. 2-3.

Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Tatarenko A.S. Magnetoelectric Composites. Pan Stanford Publishing Pte. 2019. P. 280.

Код для цитирования: Скопировать