Efect Néel

Efectul Néel apare atunci când un material superparamagnetic poziționat în interiorul unei bobine conductoare este supus câmpurilor magnetice de diferite frecvențe. Neliniaritatea materialului superparamagnetic acționează ca un mixer de frecvență. Tensiunea măsurată pe bobină cuprinde apoi diferite componente de frecvență, nu numai la frecvențele originale, ci și la unele valori date de combinația lor liniară. În acest fel, transpunerea în frecvență a câmpului de măsurat permite identificarea unui câmp, produs de un curent continuu , cu o bobină simplă. «Effet Néel» și «Neel Effect» sunt mărci înregistrate și deținute de compania Neelogy ^[1] ^[2] .

Istorie

Fizicianul francez Louis Néel (1904-2000) a descoperit în 1949 că anumite materiale feromagnetice fin împărțite în nanoparticule pierd histerezis peste o anumită dimensiune critică ^[3] ^[4] . Acest fenomen a fost identificat cu termenul de superparamagnetism . Magnetizarea acestor materiale în funcție de câmpul aplicat este puternic neliniară. Curba care o reprezintă este bine descrisă de funcția Langevin, dar, pentru câmpuri de intensitate redusă, poate fi scrisă mai simplu sub forma unei dezvoltări limitate:

$M(H)=\chi _{0}H+N_{e}H^{3}+\varepsilon (H^{3})$ ${\ displaystyle M (H) = \ chi _ {0} H + N_ {e} H ^ {3} + \ varepsilon (H ^ {3})}$ ${\ displaystyle M (H) = \ chi _ {0} H + N_ {e} H ^ {3} + \ varepsilon (H ^ {3})}$

unde este $\chi _{0}$ ${\ displaystyle \ chi _ {0}}$ ${\ displaystyle \ chi _ {0}}$ este susceptibilitatea magnetică cu câmp nul e $N_{e}$ ${\ displaystyle N_ {e}}$ $Nici}$ se numește coeficientul Néel. Coeficientul Néel explică neliniaritatea materialului superparamagnetic atunci când câmpul este slab.

Principiu

Efectul Néel apare atunci când:

un material superparamagnetic este plasat în interiorul unei bobine traversate de un curent alternativ de excitație de frecvență $f_{exc}$ ${\ displaystyle f_ {exc}}$ ${\ displaystyle f_ {exc}}$ Și
bobina menționată mai sus este supusă unui câmp magnetic extern $H_{ext}$ ${\ displaystyle H_ {ext}}$ ${\ displaystyle H_ {ext}}$ frecvență, statică sau periodică $f_{ext}$ ${\ displaystyle f_ {ext}}$ ${\ displaystyle f_ {ext}}$ .

În acest fel, atunci când măsurăm tensiunea u (t) pe bobină în prezența unui material superparamagnetic, observăm apariția unei noi componente de frecvență pe lângă frecvența (frecvențele) inițială (e). Aceste componente de intermodulare apar la anumite combinații liniare de $f_{exc}$ ${\ displaystyle f_ {exc}}$ ${\ displaystyle f_ {exc}}$ Și $f_{ext}$ ${\ displaystyle f_ {ext}}$ ${\ displaystyle f_ {ext}}$ . De exemplu, dacă câmpul magnetic extern este static, atunci apare o componentă de tensiune a $2f_{exc}$ ${\ displaystyle 2f_ {exc}}$ ${\ displaystyle 2f_ {exc}}$ . Dacă câmpul extern este periodic, atunci apare o componentă de tensiune a $2f_{exc}$ ${\ displaystyle 2f_ {exc}}$ ${\ displaystyle 2f_ {exc}}$ + $f_{ext}$ ${\ displaystyle f_ {ext}}$ ${\ displaystyle f_ {ext}}$ . Se observă și componente de ordin superior, dar de intensitate mai mică. Se demonstrează, prin intermediul calculelor, că componenta neliniară a materialului superparamagnetic este cea care determină intermodularea frecvențelor câmpului magnetic. Materialul acționează ca un mixer .

Fizica efectului Néel

Luați în considerare o bobină de N spire, cu suprafața S, traversată de un curent de excitație $I_{exc}$ ${\ displaystyle I_ {exc}}$ ${\ displaystyle I_ {exc}}$ și scufundat într-un câmp magnetic $H_{ext}$ ${\ displaystyle H_ {ext}}$ ${\ displaystyle H_ {ext}}$ coliniar la axa bobinei. Un material superparamagnetic este depus în interiorul bobinei. Forța electromotivă de la capetele rotirii bobinei (o vom numi e) este dată de formula:

$e=-d\phi /dt=-SdB/dt$ ${\ displaystyle e = -d \ phi / dt = -SdB / dt}$ ${\ displaystyle e = -d \ phi / dt = -SdB / dt}$

unde B este inducția magnetică , dată de ecuația:

$B=\mu _{0}\mu _{r}(H+M)$ ${\ displaystyle B = \ mu _ {0} \ mu _ {r} (H + M)}$ ${\ displaystyle B = \ mu _ {0} \ mu _ {r} (H + M)}$

În absența materialului magnetic

M = 0 și $B=\mu _{0}\mu _{r}(H_{ext}+H_{exc})$ ${\ displaystyle B = \ mu _ {0} \ mu _ {r} (H_ {ext} + H_ {exc})}$ ${\ displaystyle B = \ mu _ {0} \ mu _ {r} (H_ {ext} + H_ {exc})}$

Derivând această expresie a lui B, este evident că frecvențele tensiunii sunt aceleași cu cele ale curentului de excitație $i_{exc}$ ${\ displaystyle i_ {exc}}$ ${\ displaystyle i_ {exc}}$ și / sau câmpul magnetic $H_{ext}$ ${\ displaystyle H_ {ext}}$ ${\ displaystyle H_ {ext}}$ .

În prezența materialului superparamagnetic

Ignorând termenii superiori ai dezvoltării mărginite, obținem pentru B:

$B=\mu _{0}\mu _{r}((1+\chi _{0})(H_{ext}+H_{exc})+N_{e}(H_{ext}+H_{exc})3)$ ${\ displaystyle B = \ mu _ {0} \ mu _ {r} ((1+ \ chi _ {0}) (H_ {ext} + H_ {exc}) + N_ {e} (H_ {ext} + H_ {exc}) 3)}$ ${\ displaystyle B = \ mu _ {0} \ mu _ {r} ((1+ \ chi _ {0}) (H_ {ext} + H_ {exc}) + N_ {e} (H_ {ext} + H_ {exc}) 3)}$

Din nou, derivata de ordinul întâi a ecuației $\mu _{0}\mu _{r}(1+\chi _{0})(H_{ext}+H_{exc})$ ${\ displaystyle \ mu _ {0} \ mu _ {r} (1+ \ chi _ {0}) (H_ {ext} + H_ {exc})}$ ${\ displaystyle \ mu _ {0} \ mu _ {r} (1+ \ chi _ {0}) (H_ {ext} + H_ {exc})}$ furnizează componente de tensiune la frecvențele curentului de excitație $i_{exc}$ ${\ displaystyle i_ {exc}}$ ${\ displaystyle i_ {exc}}$ și / sau câmpul magnetic $H_{ext}$ ${\ displaystyle H_ {ext}}$ ${\ displaystyle H_ {ext}}$ . Pe de altă parte, dezvoltarea celui de-al doilea termen $(H_{ext}+H_{exc})^{3}=H_{ext}^{3}+3H_{ext}^{2}H_{exc}+3H_{ext}H_{exc}^{2}+H_{exc}^{3}$ ${\ displaystyle (H_ {ext} + H_ {exc}) ^ {3} = H_ {ext} ^ {3} + 3H_ {ext} ^ {2} H_ {exc} + 3H_ {ext} H_ {exc} ^ {2} + H_ {exc} ^ {3}}$ ${\ displaystyle (H_ {ext} + H_ {exc}) ^ {3} = H_ {ext} ^ {3} + 3H_ {ext} ^ {2} H_ {exc} + 3H_ {ext} H_ {exc} ^ {2} + H_ {exc} ^ {3}}$ înmulțește componente de frecvențe diferite și permite intermodularea frecvențelor inițiale, generând componente rezultate din combinația lor liniară.

Neliniaritatea materialului superparamagnetic acționează ca un mixer de frecvență

Numim H (l) câmpul magnetic total din interiorul bobinei situate la abscisa l. Integrând inducția de-a lungul bobinei între abscisele 0 și Lp și t și derivând față de t, obținem:

$u(t)=L{\frac {dI(t)}{dt}}+F_{Rog}{\frac {d}{dt}}\left[\int _{0}^{Lp}H(l)dl\right]+F_{Neel}\left[\int _{0}^{Lp}H(l)dl\right]I(t){\frac {dI(t)}{dt}}$ ${\ displaystyle u (t) = L {\ frac {dI (t)} {dt}} + F_ {Rog} {\ frac {d} {dt}} \ left [\ int _ {0} ^ {Lp} H (l) dl \ right] + F_ {Neel} \ left [\ int _ {0} ^ {Lp} H (l) dl \ right] I (t) {\ frac {dI (t)} {dt} }}$ ${\ displaystyle u (t) = L {\ frac {dI (t)} {dt}} + F_ {Rog} {\ frac {d} {dt}} \ left [\ int _ {0} ^ {Lp} H (l) dl \ right] + F_ {Neel} \ left [\ int _ {0} ^ {Lp} H (l) dl \ right] I (t) {\ frac {dI (t)} {dt} }}$

Găsim termenii clasici de auto-inductanță și efectul Rogowski , ambii la frecvențele originale. Al treilea termen se datorează efectului Néel și se referă la fenomenul de intermodulație dintre curentul de excitație și câmpul magnetic extern. Dacă curentul de excitație este sinusoidal, efectul Néel se caracterizează prin deschiderea unei armonici de ordinul doi, care transportă informațiile circuitului de câmp:

$u(t)=LI_{ex}w_{ex}cos(w_{ex}t)+F_{Rog}{\frac {d}{dt}}\left[\int _{0}^{Lp}H(l)dl\right]+F_{Neel}\left[\int _{0}^{Lp}H(l)dl\right]{\frac {I_{ex}^{2}}{2}}w_{ex}sin(2w_{ex}t)$ ${\ displaystyle u (t) = LI_ {ex} w_ {ex} cos (w_ {ex} t) + F_ {Rog} {\ frac {d} {dt}} \ left [\ int _ {0} ^ { Lp} H (l) dl \ right] + F_ {Neel} \ left [\ int _ {0} ^ {Lp} H (l) dl \ right] {\ frac {I_ {ex} ^ {2}} { 2}} w_ {ex} sin (2w_ {ex} t)}$ ${\ displaystyle u (t) = LI_ {ex} w_ {ex} cos (w_ {ex} t) + F_ {Rog} {\ frac {d} {dt}} \ left [\ int _ {0} ^ { Lp} H (l) dl \ right] + F_ {Neel} \ left [\ int _ {0} ^ {Lp} H (l) dl \ right] {\ frac {I_ {ex} ^ {2}} { 2}} w_ {ex} sin (2w_ {ex} t)}$

cu $I(t)=I_{ex}sin(w_{ex}t)$ ${\ displaystyle I (t) = I_ {ex} sin (w_ {ex} t)}$ ${\ displaystyle I (t) = I_ {ex} sin (w_ {ex} t)}$

Aplicații

Senzorul de curent al efectului Néel

O aplicație importantă a efectului Néel este măsurarea câmpului magnetic radiat de un conductor atunci când acesta este traversat de un curent ^[5] . Acesta este principiul din spatele senzorilor de curent cu efect Néel ^[6] , dezvoltat și brevetat de compania franceză Neelogy . Interesul efectului Néel este dat, în special, de posibilitatea de a efectua o măsurare precisă a unui curent continuu sau a unei frecvențe joase, cu un senzor similar unui transformator de curent și fără contact.

Traductorul unui senzor de curent cu efect Néel este format dintr-o bobină, al cărei nucleu este realizat din material compozit încărcat cu nanoparticule superparamagnetice. Bobina este traversată de un curent de excitație $i_{exc}(t)$ ${\ displaystyle i_ {exc} (t)}$ ${\ displaystyle i_ {exc} (t)}$ . În prezența unui câmp magnetic extern de măsurat $H_{ext}(t)$ ${\ displaystyle H_ {ext} (t)}$ ${\ displaystyle H_ {ext} (t)}$ , traductorul transpune, prin efectul Néel, informațiile care trebuie măsurate, H (f), în jurul unei frecvențe purtătoare, armonica de ordinul doi al curentului de excitație $2f_{exc}$ ${\ displaystyle 2f_ {exc}}$ ${\ displaystyle 2f_ {exc}}$ , pe care măsurarea este mai simplă. Cu alte cuvinte, forța electromotivă generată de bobină este proporțională cu câmpul magnetic de măsurat, $H_{ext}(t)$ ${\ displaystyle H_ {ext} (t)}$ ${\ displaystyle H_ {ext} (t)}$ și pătrat al curentului de excitație:

$fem(t)=F_{Neel}i_{exc}^{2}(t)H(t)$ ${\ displaystyle fem (t) = F_ {Neel} i_ {exc} ^ {2} (t) H (t)}$ ${\ displaystyle fem (t) = F_ {Neel} i_ {exc} ^ {2} (t) H (t)}$

Pentru a îmbunătăți performanțele de măsurare (liniaritate, sensibilitate la temperatură, sensibilitate la vibrații etc.) senzorul include, de asemenea, o a doua bobină, numită contrareacțiune, care permite ca a doua armonică să fie anulată definitiv. Relația dintre curentul de contrareacțiune și curentul de pe conductorul primar (curentul care trebuie măsurat) este, în acest fel, proporțională doar cu numărul de spire ale contrareacției ( $I_{cr}=I_{p}/N_{cr}$ ${\ displaystyle I_ {cr} = I_ {p} / N_ {cr}}$ ${\ displaystyle I_ {cr} = I_ {p} / N_ {cr}}$ ).

Alte aplicații ale efectului Néel

Efectul Néel „amestecă” frecvențele diferitelor câmpuri magnetice în prezența unui material superparamagnetic. În senzorul de curent cu efect Néel, traductorul folosește o cantitate fixă de material superparamagnetic și un curent de excitație cunoscut (și, prin urmare, un câmp magnetic cunoscut), pentru a determina un câmp magnetic extern de magnitudine necunoscută. Dar ne-am putea gândi să folosim un traductor care utilizează două câmpuri magnetice cunoscute, cu frecvențe diferite, pentru a determina o cantitate necunoscută dintr-un material superparamagnetic. Două aplicații de acest tip sunt cunoscute până în prezent în detectoarele de nanoparticule superparamegnetice. Pornind de la un brevet rus ^[7] , compania Magnisense ^[8] ^[9] dezvoltă imunoanalize magnetice care utilizează nanoparticule magnetice ca markeri ai organismelor sau moleculelor biologice. Acestea pot fi astfel detectate într-un mod foarte precis printr-un cititor specific, MIAtek ^[10] . În mod similar, Philips dezvoltă o tehnică de imagistică a particulelor ^[11]

Notă

^ ( FR ) Bases de données Marques , Institut National de la propriété industrielle.
^(EN) Neelogy Arhivat la 4 septembrie 2012 în Internet Archive .
^ ( FR ) Louis Néel, Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences .
^ ( FR ) Louis Néel, Théorie du traînage magnétique des ferromagnétiques en grains fins avec applications aux terres cuites Arhivat 12 martie 2014 la Internet Archive ., Annales de géophysique, février 1949.
^ ( FR ) Capteurs de champ magnétique et de courant, procédé de commande et noyau magnétique pour ces capteurs, «Brevet FR 2891917» .
^ ( FR ) Procédé de mesure de courant au moyen d'un capteur de circulation de champs magnétiques de forme spécifique, et système obtenu à partir d'un tel procedure, "Brevet FR 2971852"
^(EN) PINikitin, PM Vetoshko, TI Ksenevich, Magnetic Immunoassays, Sensor Letters, vol.5, 2007 .
^(EN) imunoteste magnetice: O nouă paradigmă în POCT, articolul IVD tehnologie, 2008 Filed 28 ianuarie 2013 în Internet Arhiva ..
^(EN) Magnisense .
^(EN) MIAtek Tehnologie Filed 27 ianuarie 2013 în Internet Arhiva ..
^(EN) Bernhard Gleich, Jürgen Weizenecker, Tomographic imaging folosind răspunsul neliniar al particulelor magnetice, Nature juin 2005 .

Elemente conexe

Portalul Electromagnetismului	Portal electronic
Portal electrotehnic	Portalul de fizică

[1] ( FR ) Bases de données Marques , Institut National de la propriété industrielle.

[2] (EN) Neelogy Arhivat la 4 septembrie 2012 în Internet Archive .

[3] ( FR ) Louis Néel, Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences .

[4] ( FR ) Louis Néel, Théorie du traînage magnétique des ferromagnétiques en grains fins avec applications aux terres cuites Arhivat 12 martie 2014 la Internet Archive ., Annales de géophysique, février 1949.

[5] ( FR ) Capteurs de champ magnétique et de courant, procédé de commande et noyau magnétique pour ces capteurs, «Brevet FR 2891917» .

[6] ( FR ) Procédé de mesure de courant au moyen d'un capteur de circulation de champs magnétiques de forme spécifique, et système obtenu à partir d'un tel procedure, "Brevet FR 2971852"

[7] (EN) PINikitin, PM Vetoshko, TI Ksenevich, Magnetic Immunoassays, Sensor Letters, vol.5, 2007 .

[8] (EN) imunoteste magnetice: O nouă paradigmă în POCT, articolul IVD tehnologie, 2008 Filed 28 ianuarie 2013 în Internet Arhiva ..

[9] (EN) Magnisense .

[10] (EN) MIAtek Tehnologie Filed 27 ianuarie 2013 în Internet Arhiva ..

[11] (EN) Bernhard Gleich, Jürgen Weizenecker, Tomographic imaging folosind răspunsul neliniar al particulelor magnetice, Nature juin 2005 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]