Диссертация (1098006), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Поэтому число витков и частота возбуждения должны быть сбалансированы.Конечно, то же самое имеет место и при импульсном возбуждении, но достичьоптимальных условий легче при гармоническом возбуждении. Зависимость выходногосигнала, снимаемого с катушки, от частоты возбуждения провода представлена наРисунок 5.31. Оптимизация операционной частоты также рассматривалась дляразработки ортогональных fluxgates[307] с целью увеличения чувствительности иснижения шумов.Рисунок 5.31.Частотная зависимостьамплитуды напряжения, измеряемого вкатушке, намотанной на микропровод, по которому протекает синусоидальный ток ипостоянный ток в 7.7 мА.
Использовался провод составаCo66.94Fe3.83Ni1.44B11.57Si14.59Mo1.69, длина провода – 8 мм, общий диаметр- 46 микрон ,диаметр металлической жилы – 40 микрон. Детектирующая катушка имела 55 витков.Характеристика получена в поле 1 Э.Выводы главыДанная глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованиюасимметричного магнитоимпеданса (АМИ). Также более подробно обсуждаетсяэкспериментальные результаты по недиагональному импедансу с точки зренияиспользования в сенсорных системах. Предлагаются два механизма АМИ, которыемогут быть названы статическим и динамическим, соответственно.
Статический АМИреализован в проводах сгеликоидальной анизотропией и в трехслойных пленках,магнитные слои которых имеют скрещенную анизотропию.203Динамический АМИ реализован в ферромагнитных проводах с циркулярнойанизотропией при возбуждении высокочастотным (импульсным) током и продольнымполем, генерируемым током катушки, намотанной на провод. При таком возбуждениинапряжениенапроводевключаетдополнительнуюэ.д.с.,пропорциональнуюнедиагональной компоненте поверхностного импеданса.
В этом случае также нуженнебольшой постоянный ток для устранения доменной структуры, так как ее наличиеобнуляет недиагональную компоненту импеданса.Недиагональный импеданс представляет отдельный интерес для техническихприложений, так как позволяет получить не только линейные характеристики, но иувеличить выходной сигнал (то есть чувствительность в мВ/Э) за счет оптимальногочисла витков в катушке и резонансных условий возбуждения.204Глава 6Композитные материалы с управляемымиэлектромагнитными параметрами на гигагерцовых частотахПроволочные включения с различными физическими свойствами, а такжеформами и размерами, составляют важный конструктивный элемент современныхкомпозитных материалов.
Для механических приложений сверхпрочные карбоновые,стеклянныеилидругиеполимерныеволокнадажеприсравнительномалойконцентрации способны существенно упрочнить исходный материал, сохраняя егоэластическиесвойства[319-320].Вэлектродинамикекомпозитовпроводящиепроволочные включения индуцируют необычные поляризационные свойства отклика вответ на микроволновое [188, 321-323] или оптическое излучение [324-327].Представляет интерес два типа проволочных материалов (wire media): решеткиупорядоченных непрерывных проводов и композиты с короткими отрезками проводов.В первом случае возможно создание частотных дисперсий плазмонного типа, а вовтором - резонансных дисперсий. Частотный интервал определяется характернымигеометрическими размерами.Решетки непрерывных проводов позволяют получать отрицательные значениядействительной части эффективной диэлектрической проницаемости и используютсякак подсистемы для создания так называемых левосторонних материалов.
Проволочныематериалы были предложены довольно давно для формирования электромагнитныхпучков [11, 12]. Было также отмечено, что по диэлектрическим свойствам онианалогичны плазмонным системам.Вданнойглаверассматриваютсякомпозиционныематериалысферромагнитными проводящими проводами, которые представляют интерес с точкизренияуправлениячастотнойдисперсиейэффективнойдиэлектрическойпроницаемости, а также создания материалов с сенсорными функциями [248, 328]. Этисвойства определяются эффектом магнитного импеданса на ГГц частотах.2056.1 Дисперсионные характеристики проволочных сред6.1.1 Композиты с короткими отрезками проводовЭтиэффективнойматериалы(Рисунокдиэлектрической6.1)демонстрируетпроницаемости ,резонанснуюдисперсиюобусловленнуюантеннымирезонансами на отдельных включениях [12, 181-182, 262].
Частоты антенных резонансовопределяются как:Рисунок 6.1. Иллюстрация композитного материала с короткими отрезкамипроводящих проводов., =(2 − 1)2 √(6.1)где - скорость света в вакууме, - длина проволоки, -диэлектрическаяпроницаемость матрицы (обычно, действительная постоянная), и ≥ 1- целое число(дискретный спектр).В области резонансных частот реальная часть уменьшается с ростом частотыи может принимать отрицательные значения, тогда как мнимая часть имеетлокальный максимум. Такая дисперсионная характеристика отвечает резонансному илирелаксационному поведению системы в целом.
При объемных концентрациях проволочных включений ниже перколяционного перехода ( < = 2/, где - радиуспроволоки) [181], дисперсионные свойства этих материалов могут быть объяснены в206рамках Лорентцевской модели диэлектриков. Напомним, что вещество в моделиЛорентца строится из осциллирующих электрических дипольных моментов сзатуханием. Релаксация в системе описывается феноменологическим параметромзатухания или серией таких параметров в случае многорезонансной системы [329-330].В нашем случае, проволочные включения играют роль «элементарных рассеивателей»,обладающих дипольным моментом, индуцируемым внешней волной.
В ближней идальней волновой зоне от композитного образца совокупное излучение проволочныхдиполей формирует эффективный отклик, который может формально быть описаннекоторой диэлектрической проницаемостью ∞ () = + 4 ∑=12,− 2 − Γ(6.2)где суммирование ведется по всем антенным резонансным частотам , = 2, , = √−1 - комплексная единица, Γ - феноменологические параметры затухания, и феноменологическиесуммарныйчлениндуцированнуюамплитудныевуравнениипроволочнымипостоянные(6.2)(«силыотвечаетвключениями,азаосцилляторов»).дипольнуюпоэтомуВторойполяризацию,пропорционаленихконцентрации .
Основными каналами релаксации являются резистивные и магнитныепотери внутри включений, а также рассеяние переотраженных волн [328] Каждыйфеноменологический параметр Γ включает в себя все виды релаксационных процессов.Сама по себе не является измеряемой величиной в экспериментах по рассеяниюволн. Однако она может быть вычислена из дисперсионных зависимостейS -параметров, которые включают амплитуду и фазу. Как было продемонстрировано вэкспериментальных работах [182] и [12], восстановленная таким образом хорошоаппроксимируется Лорентцевской дисперсионной кривой (6.2), где можно ограничитьсятолько первым членом, поскольку 1 ≫ >1 .Дипольные моменты определяются распределением свободных электронов впроводе.
Электроны локализованы в пределах ее длины, и имеют максимум своейплотности на ее концах, что эквивалентно условию нулевого тока. В свою очередь эталокализация и позволяет формально ввести дипольный момент , который определяетполяризацию проволочных включений в уравнении (6.2) [328] /2 = ∫ () −/2(6.3)207Здесь () – распределение линейной плотности тока вдоль провода, индуцированноевнешней электромагнитной волной,- локальная координата вдоль оси провода.Для () должны выполняться граничные условия (±/2) = 0 на концах провода, чтосоответствует минимуму тока или пучности зарядов.
Индуцируемая плотностьлинейного тока () может быть вычислена из обобщенного антенного уравнения [326,328], которое учитывает все виды потерь: резистивные, магнитные и излучательные.Резонансная дисперсия (6.2) композита с короткими проволочными включениямиможет быть использована для усиления эффекта управляемости в окрестностирезонансной частоты за счет изменения резистивных или магнитных потерь.6.1.2Решетки непрерывных проводовРассматривается решетка непрерывных проводов, расположенных вдоль оси ()на расстоянии друг от друга, как показано на Рисунке 6.2.
Электромагнитная волнараспространяется перпендикулярно проводам, а электрический вектор в волне 0направлен вдоль проводов. Ecли длина волны значительно больше, чем характерныеструктурныепараметры: ≫ ≫ ,токомпозиционныйматериалможнорассматривать как однородную среду с усредненными материальными параметрами.Рисунок 6.2. Иллюстрация проволочнойсреды,образованнойрешеткойпроводящих проводов, расположенных нарасстояниидруготЭлектромагнитнаяраспространяетсядруга.волнаперпендикулярнопроводам, а электрический вектор в волне0 направлен вдоль проводов.208Существует ряд моделей [11, 186, 329] для определения эффективнойпроницаемости.
Все они демонстрируют, что электромагнитный отклик соответствуетидеальной (без столкновений) плазменной системе с диэлектрической проницаемостью(по отношению к 0 ), имеющий вид: = −22(6.4)Здесь параметр соответствует плазменной частоте. В различных моделях выражениедля несколько различаются, однако в логарифмическом приближении (ln(/) ≫ 1 )эта разница не превышает 10%. Обычно записывается в виде:2 =2 2 2 ln /(6.5)Если радиус провода =10 м, а расстояние между проводами =1 см, выражение (6.5)дает значение плазмонной частоты = /2 = 4.8 GHz. В ряде экспериментальных имодельных работ подтверждается правомерность использования плазмонных уравнений(6.4) и (6.5), которые дают отрицательные значения действительной части внизкочастотной области < , для описания электромагнитного отклика отпроволочной среды [330-331].Уравнение (6.4) справедливо для идеально проводящих проводов без потерь, илидля частот, при которых имеет место сильный скин-эффект.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
