Международная группа ученых, включая специалистов НовГУ, провела исследование, результаты которого позволят создавать более эффективные устройства для преобразования магнитной энергии в электрическую — магнитоэлектрические преобразователи, сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ. 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.
Авторами работы стали сотрудники кафедры проектирования и технологии радиоаппаратуры Политехнического института, а также лаборатории микро- и нанотехнологий НовГУ. Статья об исследовании опубликована в Journal of Applied Physics.
Материалы, реагирующие на магнитное поле и генерирующие электричество, известны давно. Обычно их соединяют в виде «сэндвича»: один слой сжимается под действием магнитного поля, второй вырабатывает напряжение. На практике конструкции редко бывают идеальными — слои различаются по длине и ширине, магнитный слой может выступать за края пьезоэлектрика или быть короче, чтобы оставить место для подключения электродов. Это осложняет расчеты и долго ограничивало разработку новых устройств.
Российские и китайские исследователи построили модель, которая учитывает все нюансы композита по миллиметру. 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.
Результаты оказались и прогнозируемыми, и неожиданными. С одной стороны, теория и эксперимент хорошо совпали, подтвердив правильность модели. Например, для симметричной структуры, где магнитные слои длиннее пьезоэлектрической сердцевины, было найдено оптимальное соотношение их длин — от 1,4 до 2,5 раз. Например, если пьезоэлектрик имеет длину 10 мм, то магнитные слои с каждой стороны должны быть от 14 до 25 мм каждый. Именно в этом диапазоне значение магнитоэлектрического коэффициента (показателя эффективности) максимально. Если же конструкцию делали асимметричной, например, укорачивая магнитный слой на 25%, чтобы удобнее подключить провода, эффективность преобразования резко падала — почти в два раза (до 50% от исходного значения).
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.
Расчеты показали, что датчик на основе сплава пермендюр (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 довольно высокий показатель, превышающий результаты многих предыдущих работ. При этом сам датчик резонирует, то есть наиболее сильно «откликается» на магнитное поле с частотой около 94,5 герц. Этот показатель относится к низкочастотному диапазону, который идеально подходит, например, для подводной связи или георазведки, где высокие частоты плохо проникают через среды. Таким образом, получилась не просто чувствительная, но и практически применимая конструкция.
Проектируя, к примеру, приемную антенну для подводной связи, работающую на частоте в несколько десятков килогерц, инженер может заранее рассчитать, какой длины должны быть слои в ее чувствительном элементе, чтобы получить максимальный сигнал. А создавая компактный датчик для обнаружения слабых магнитных аномалий, можно оптимизировать расположение электродов, чтобы получить из материала максимум чувствительности, не увеличивая его размеры.
Главная проблема при массовом внедрении таких датчиков — характеристики материалов и конструкция магнитоэлектрического композита. Нужны дополнительные исследования.
В частности, у магнитоэлектрической антенны пока слишком малая дальность излучения — всего 10−20 м. Для практического применения системы связи её нужно увеличить в 10 раз, чтобы приёмная антенна без искажений принимала сигнал. Последние исследования дают надежду, что это удастся сделать в ближайшее время.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что новое световое устройство может решать задачи быстрее суперкомпьютеров.
