XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение

В процессе ремонта или реконструкции помещений становится актуальной задача обнаружения скрытой электропроводки, чтобы избежать повреждений и обеспечить безопасность. Современные детекторы скрытой проводки в основном опираются на несколько физических принципов: электромагнитная индукция, изменение емкости и радиоволновое обнаружение. Однако, несмотря на эффективность современных устройств, они часто имеют ограничения и недостатки, такие как низкая точность, высокая стоимость или неспособность обнаруживать проводку за определенными препятствиями. Эти ограничения подчеркивают необходимость разработки детектора, работающего на новом физическом принципе – магнитоэлектрическом (МЭ) эффекте. Датчик скрытой проводки на основе МЭ эффекта будет способен обеспечить улучшенную точность обнаружения, надежность, низкую стоимость и возможность работы в сложных условиях, что сделает его востребованным на рынке.

Цель исследования

Цель настоящей работы заключается в исследовании МЭ эффекта в магнитострикционно-пьезоэлектрической структуре АМАГ/ЦТС/АМАГ для его применения в детектировании магнитных полей, создаваемых скрытыми проводниками с током.

Материал и методы исследования

Компьютерное моделирование переменного магнитного поля, создаваемого двумя проводами, по которым протекает электрический ток в разных направлениях, было выполнено в программе «ANSYS Maxwell 16.0». В качестве примера была выбрана медная круглая проводка сечением 1,5 мм², по которой протекает номинальный среднеквадратичный синусоидальный ток 16 А с частотой 50 Гц.

Экспериментальное исследование МЭ эффекта было выполнено с использованием симметричной прямоугольной магнитострикционно-пьезоэлектрической структуры АМАГ/ЦТС/АМАГ c размерами 30x10x0,5 мм³. В качестве магнитострикционного материала использовался аморфный магнитомягкий сплав марки АМАГ-225 (ПАО «Мстатор», Боровичи, Россия), а в качестве пьезоэлектрического материала – цирконат-титанат свинца марки ЦТС-19. При проведении экспериментального исследования был использован измерительный стенд, включающий в себя синхронный усилитель, магнитометр, катушки Гельмгольца (DC и AC), источник питания, усилитель и ПК.

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе проведенного компьютерного моделирования была получена цветная картина распределения напряженности результирующего магнитного поля. Из рисунка 1 видно, что максимальная напряженность магнитного поля сконцентрирована между проводами, а на расстоянии 10–20 мм от них (на практике это расстояние от скрытой проводки до внешней поверхности стены) амплитуда напряженности поля составляет менее 1 Э. Это говорит о том, что будущий датчик скрытой электропроводки должен будет детектировать относительно слабые магнитные поля. Для этой цели может подойти МЭ датчик, работающий в линейном режиме измерения магнитного поля.

Рисунок 1 – Результат компьютерного моделирования магнитного поля однофазной электропроводки. ПО «ANSYS Maxwell»

В ходе проведенного экспериментального исследования была получена зависимость амплитуды выходного напряжения от напряженности переменного магнитного поля частотой 50 Гц для МЭ структуры АМАГ/ЦТС/АМАГ, показанная на рисунке 2. Как видно из рисунка, после аппроксимации экспериментальных данных отчетливо видно линейную зависимость, которая является выходной характеристикой будущего датчика.

Рисунок 2 – Экспериментальная полевая зависимость выходного напряжения для структуры АМАГ/ЦТС/АМАГ при частоте переменного магнитного поля 50 Гц и её аппроксимация

Таким образом, в результате исследования было получено, что для определения скрытой электропроводки можно использовать МЭ структуры на основе пьезокерамики и аморфного магнитомягкого сплава.

Заключение

Полученные в ходе работы результаты говорят о хороших перспективах создания полноценного устройства – детектора скрытой электропроводки на основе МЭ эффекта. Данное исследование способствует развитию различных электронных устройств и систем, работа которых основана на МЭ эффекте.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-15-20044. https://rscf.ru/prjcard_int?24-15-20044.

Список литературы

1. Bichurin M., Petrov R., Tatarenko A. Magnetoelectric Composites: Modeling and Application // Advances in Materials. 2020. 9(2): 15.

2. Viehland D., Wuttig M., McCord J., Quandt E. Magnetoelectric magnetic field sensors // MRS Bulletin. 2018. Vol. 43. No. 11. P. 834-840.