Международная группа ученых, куда вошли специалисты НовГУ, провела исследование, результаты которого позволят создавать более эффективные устройства для преобразования магнитной энергии в электрическую — магнитоэлектрические преобразователи. 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.
Авторы работы — сотрудники кафедры проектирования и технологии радиоаппаратуры Политехнического института, а также лаборатории микро- и нанотехнологий НовГУ. Статья об исследовании опубликована в Journal of Applied Physics. Работа выполнена пр поддержке гранта РНФ.
Сами по себе материалы, способные откликаться на магнитное поле и генерировать электричество, известны давно. Чаще всего их комбинируют в виде «сэндвича»: слой, который сжимается в магнитном поле (магнитострикционный), склеивают со слоем, который при сжатии вырабатывает напряжение (пьезоэлектрический). Но на практике такую структуру идеально однородной не делают — слои получаются разной длины и ширины: магнитный слой выступает за края пьезоэлектрического или наоборот.
Это связано с тем, что «идеальная» структура, как правило, неудобна или неэффективна. Если магнитный слой полностью перекрывает пьезоэлектрик, то приклеить электрод просто не к чему — он окажется под магнитом. Поэтому на практике магнитный слой часто делают короче, чтобы осталась свободная полоска материала для контактов. Но это же обстоятельство мешает расчетам — сложно предсказать то, как будет вести себя такой «неидеальный» материал при той или иной конструкции.
До сих пор точное влияние такой неоднородной структуры на итоговую производительность разных устройств было плохо изучено. Инженеры часто действовали методом проб и ошибок, что замедляло и делало дорогостоящим создание новых приборов.
В новой работе ученые из России и Китая сосредоточились именно на моделировании и испытании таких неоднородных структур. 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 миллиметров, то магнитные слои с каждой стороны должны быть от 14 до 25 миллиметров 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 процентов от исходного значения).
— Наиболее интересным оказался вывод о конструкции, работающей на изгиб, а не на растяжение, — рассказал один из участников исследования, сотрудник кафедры проектирования и технологии радиоаппаратуры Политехнического института Олег Соколов. — 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, — рассказал Олег Соколов. — А создавая компактный датчик для обнаружения слабых магнитных аномалий, можно оптимизировать расположение электродов, чтобы получить из материала максимум чувствительности, не увеличивая его размеры.
Работа ученых представляет собой важный шаг от лабораторных экспериментов к реальным инженерным решениям. Понимание тонкостей поведения неоднородных структур открывает путь к созданию нового поколения магнитоэлектрических устройств с заданными характеристиками, востребованных в высокотехнологичных отраслях — от телекоммуникаций до георазведки. Например, для систем подводной и подземной связи.
— Основная проблема массового внедрения таких датчиков — в характеристиках используемых материалов и геометрической конструкции магнитоэлектрического композита, — отметил учёный. — Требуется еще некоторое время для проведения исследований и нахождения решения задачи. Например, для магнитоэлектрической антенны сейчас основная проблема — недостаточная дальность излучения. Получена дальность 10-20 метров. Для использования системы связи на практике требуется хотя бы на порядок (в 10 раз) увеличить дальность, на которой приемная антенна сможет принимать без искажения информацию, переданную излучающей антенной.
По словам учёного, результаты последних исследований показывают, что этот результат может быть получен уже в ближайшем будущем.
Эту и другие новости читайте в официальном МАХ-канале Новгородского университета.