Приведено описание принципа работы и представлены результаты экспериментального исследования датчика постоянного магнитного поля, в основу работы которого положен нелинейный магнитоэлектрический эффект. Датчик магнитного поля состоит из конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, помещенного между катушками Гельмгольца, создающими переменное магнитное поле. Показано, что при наложении постоянного магнитного поля разность амплитудных значений двух соседних максимумов напряжения на обкладках конденсатора пропорциональна величине напряженности постоянного магнитного поля.
Ключевые слова:магнитоэлектрический эффект, композиционный материал, магнитострикция.
Интерес к исследованию магнитоэлектрического (МЭ) эффекта вызван не только научной новизной выбранного направления исследований, но также перспективами его практического использования в различных областях техники. Одним из основных применений является изготовление датчиков магнитных полей. Их основными достоинствами является высокая чувствительность при комнатной температуре, линейность по отношению к амплитуде измеряемого поля, а также отсутствие источника тока, необходимого, например, для работы датчиков Холла.
Магнитоэлектрический эффект заключается в возникновении разности потенциалов между обкладками конденсатора, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композиционный материал, при помещении его в магнитное поле. Возникновение МЭ эффекта в таких структурах связано с механическим взаимодействием магнитострикционной и пьезоэлектрической фаз. В магнитном поле в магнитострикционной компоненте возникают механические напряжения, которые передаются в пьезоэлектрическую фазу, в результате чего на обкладках конденсатора возникает разность потенциалов.
Ранее, во многих работах [1], исследовался линейный МЭ эффект, возникающий в такой структуре при помещении ее в постоянное (подмагничивающее) и переменное магнитные поля. Поскольку магнитострикция является квадратичным по намагниченности эффектом [2], то в области, далекой от насыщения, величина механических напряжений пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля. Вследствие этого возникающее на обкладках конденсатора электрическое поле также будет пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Это приводит к тому, что при помещении конденсатора в переменное магнитное поле с частотой 
на обкладках конденсатора возникает электрическое напряжение с удвоенной частотой. Если приложенное магнитное поле представляет собой сумму двух полей — переменного и постоянного, то возникающая разность потенциалов на обкладках конденсатора будет представлять собой сумму двух сигналов — линейного по напряженности переменного магнитного поля с частотой и квадратичного с удвоенной частотой. Сложение линейного и нелинейного по напряженности магнитного поля сигналов приводит к возникновению разности амплитудных значений соседних максимумов напряжения на обкладках конденсатора. Величина этой разности будет пропорциональна напряженности приложенного постоянного магнитного поля, что позволяет использовать этот эффект для измерения величины постоянного магнитного поля.
В качестве модели для теоретического описания эффекта рассмотрим структуру в виде пластинки, состоящую из магнетика толщиной 
и пьезоэлектрика толщиной 
поляризованного в направлении, перпендикулярном плоскости пластинки (ось 
). Выражения для тензора деформаций магнитострикционной 
и пьезоэлектрической 
компонент структуры в электрическом поле напряженностью 
и в магнитном поле напряженностью 
, в области, далекой от насыщения, можно записать в виде:
, (1)
, (2)
где 
, 
— тензоры напряжений, 
, 
— модули Юнга магнитной и пьезоэлектрической фаз соответственно, 
— пьезоэлектрический модуль, 
— магнитострикционный коэффициент, 
— магнитострикционная деформация в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Возникающие в переменном магнитном поле колебания магнитострикционной среды будут передаваться через границу в пьезоэлектрическую среду, в результате чего в структуре возникнут связанные колебания, дисперсионное соотношение для которых определяется выражением [3]:
. (3)
Здесь 
и 
— безразмерные переменные, 
, 
— скорости продольных звуковых волн, 
, 
— плотности магнетика и пьезоэлектрика, 
, 
, 
— волновой вектор, 
— коэффициент Пуассона.
Разность потенциалов, возникающая на обкладках конденсатора, в низкочастотной области спектра, согласно [4] определяется выражением:
, (4)
где
— безразмерный параметр, 
— квадрат коэффициента электромеханической связи, 
— диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика.
В случае, если магнитное поле представляет собой сумму двух полей, переменного 
с частотой 
и постоянного 
, то из выражения (4) легко видеть, что разность соседних максимумов напряжения, возникающая в результате сложения двух сигналов — одного с частотой 
, а второго — с удвоенной частотой 
определяется следующим выражением:
, (5)
где 
— постоянная для данной структуры величина равная 
.
Как следует из выражения (5), в полях, далеких от насыщения, возникающая разность потенциалов пропорциональна как величине постоянного магнитного поля, так и амплитуде переменного магнитного поля. Это свойство структуры можно использовать для измерения величины магнитного поля.
Для экспериментальных исследований использовалась трехслойная структура пермендюр — цирконат-титанат свинца (ЦТС 850) — пермендюр. Образцы имели прямоугольную форму. Длина образца 20 мм, ширина 5 мм, толщина пьезоэлектрика — 0,35 мм, толщина одной пластины пермендюра — 0,175 мм. Переменное магнитное поле частотой 
создавалось катушкой Гельмгольца. Для определения величины переменного магнитного поля катушка Гельмгольца была вначале проградуирована. Входная разность потенциалов, приложенная к катушке Гельмгольца, и выходная разность потенциалов, возникающая на обкладках конденсатора, выводилась на экран осциллографа. При помещении конденсатора в переменное магнитное поле на его обкладках возникала разность потенциалов, меняющаяся по гармоническому закону с удвоенной частотой. При изменении величины напряженности переменного магнитного до 40 Oe каких либо заметных искажений в выходном сигнале не обнаружено. При приложении постоянного магнитного поля выходной сигнал представляет собой типичную картину, возникающую при сложении двух синфазных колебаний с одинарной и удвоенной частотой. На рисунке 1 представлена типичная осциллограмма выходного напряжения на обкладках конденсатора, возникающая при его помещении в постоянное и переменное магнитные поля.
Рис. 1. Осциллограмма выходного напряжения на конденсаторе при помещении структуры в переменное и постоянное магнитные поля
Величина разности амплитудных значений напряжения между соседними максимумами увеличивается с увеличением напряженности приложенного постоянного магнитного поля. Чувствительность структуры линейно изменяется с увеличением напряженности переменного магнитного поля. Это свойство можно использовать для измерения величины постоянного магнитного поля, где величина переменного магнитного поля играет роль диапазона измерений.
Следует отметить, что возникновение разности потенциалов происходит в результате сложения двух сигналов, полученных от одного источника, следовательно, разность фаз между этими сигналами остается постоянной во времени, что позволяет производить суммирование полученной разности в течение длительного времени, тем самым повышая чувствительность датчика.
Литература:
1. Пятаков А. П., Звездин А. К. // УФН. — 2012. — т. 182. — № 6. — с. 593–620.
2. Белов К. П. Магнитострикционные явления и их технические приложения // М.: Наука. — 1987. — 160 с.
3. Филиппов Д. А., Галичян Т. А., Фирсова Т. О. // Вестник НовГУ — 2012. — № 68. — с. 116–118
4. Филиппов Д. А. // ФТТ. — 2005. — т. 47. — № 6. — с. 1082–1084.
