Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-тех

Рис. 2.49. Принцип магниторезистивного эффекта

нитного поля образуются магнитные домены, внутри которых магнитные моменты параллельны. При включении магнитного поля, величина которого для каждого материала индивидуальна, эти микроскопические магнитные домены исчезают, и весь образец превращается в единый домен, т. е. намагничивается. Электросопротивление ферромагнетика до и после намагничивания различно (см. рис. 2.47).

Удельное электросопротивление магнитных материалов зависит от угла между магнитным полем и током. Это явление назвали анизотропным магнетосопротивлением.

Математическое описание

Удельное электросопротивление

0 cos 2 ,

где — угол между магнитным полем и током;

expF H ,

F H ~ H 2 — при слабом магнитном поле,

1

F H ~ H 2 — при сильном магнитном поле.

101

ной при дальнейшем увеличении поля. При некотором возросшем значе- нии поля граница преодолевает препятствие и скачком перемещается дальше, до очередного препятствия, уже без увеличения поля. Из-за подобных задержек кривая намагничивания ферромагнетика имеет ступен- чатый характер.

Математическое описание

Изменение намагниченности за один скачок

I xI 0 l,

ãäå x — величина смещения границ доменов; I 0 — намагниченность;

l — ширина домена.

Применение

Баркгаузена эффект служит одним из непосредственных доказательств доменной структуры ферромагнетиков. Он играет большую роль в выяснении процессов намагничивания ферромагнетиков, так как с его помощью можно определить объем отдельного домена.

А. с. 425142. Способ измерения максимальной дифференциальной магнитной проницаемости в ферромагнитных материалах, основанный на подсчете числа скачков Баркгаузена на восходящей ветви петли гистерезиса, отличающийся тем, что с целью повышения точности и упрощения процесса измерения уменьшают напряженность магнитного поля до величины, при которой число скачков Баркгаузена на нисходящей ветви петли гистерезиса станет равным половине общего числа скачков, при этом значении уменьшают напряженность магнитного поля на заданную величину и измеряют приращение индукции, по величине которой определяют максимальную дифференциальную магнитную проницаемость.

2.9.5. Эффект Эйнштейна — де-Хааза

Входы: намагниченность. Выходы: вращательный момент.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.51.

Сущность

Эффект состоит в том, что тело (ферромагнетик) при намагничивании вдоль некоторой оси приобретает относительно ее вращательный импульс, пропорциональный приобретенной намагниченности.

103

Эффект объясняется тем, что магнитные моменты атомов образца, ориентируясь по направлению внешнего магнитного поля, вызывают изменение атомных механических моментов образца. На основании закона сохранения момента количества движения общий момент количества движения тела должен оставаться неизменным, поэтому тело при намагничивании приобретает обратный (очень малый по величине) вращательный импульс относительно оси намагничивания.

Действие эффекта представлено

поворот образца на небольшой угол. Этот поворот измеряется по угловому отклонению зеркальца, жестко связанного с образцом. На рисунке обозначено:

À — образец;

 — упругая нить подвеса;

Ñ — зеркальце;

— угол поворота образца, фиксируемый по изменению положения отраженного луча света;

D — источник света;

E — шкала;

W — намагничивающий соленоид, по которому проходит ток.

Математическое описание

Магнитный момент атома

M = yJ,

ãäå J — количество движения;

y — магнитомеханическое отношение.

104

Применение

Применение этого эффекта, как и других магнитомеханических явлений, позволяет получить сведения о природе носителей магнетизма в веществе и строении атомов вещества.

2.10. Электрические свойства вещества

Проводники — вещества, хорошо проводящие электрический ток, т. е. обладающие высокой электропроводностью (низким удельным сопротивлением). В противоположность проводникам изоляторы обладают большим удельным электрическим сопротивлением. Промежуточное положение занимают полупроводники. Величина электропроводности определяется концентрацией носителей тока и их подвижностью. К проводникам относятся металлы, электролиты и плазма. В металлах носителями тока являются квазисвободные электроны проводимости. В электролитах ток создается положительными и отрицательными ионами. В плазме носителями электрического тока являются свободные электроны, а также положительные и отрицательные ионы.

2.10.1. Тензорезистивный эффект

Входы: деформация.

Выходы: электрическое сопротивление.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.52.

Сущность

Тензорезистивный эффект заключается в изменении удельного электрического сопротивления твердого проводника (металла, полупроводника) в результате его деформации (рис. 2.52, à).

Рис. 2.52. Тензорезистивный эффект (à) и принципиальная схема включения датчика (á)

105

Тензорезистивный эффект связан с изменением межатомных расстояний при деформации, что влечет за собой изменение структуры энергетических зон кристалла. Последнее обусловливает изменение концентрации носителей тока (электронов проводимости, дырок), их эффективной массы, перераспределение их между энергетическими максимумами в зоне проводимости и минимумами в валентной зоне.

Математическое описание

На практике пользуются понятием тензочувствительности:

k ,ll

ãäå ll — относительное изменение длины l (м) образца под действием приложенной нагрузки в определенном направлении;

— относительное изменение удельного электрического сопротивления (Ом/м) вдоль этого направления.

В металлах тензочувствительность порядка единицы, в полупроводниках (например, в Ge и Si) в десятки и сотни раз больше.

Применение. Тензорезистивный эффект применяется в тензодатчиках сопротивлений, служащих для измерения деформаций.

2.10.2. Терморезистивный эффект

Входы: температура.

Выходы: электрическое сопротивление.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.53.

Сущность

Терморезистивный эффект — изменение электрического сопротивления проводящих тел при изменении их температуры. У металлических проводников сопротивление возрастает с ростом температуры, у жидких электролитов и полупроводников — падает.

Температурная зависимость сопротивления является главной характеристикой терморезисторов, в значительной степени определяющей остальные характеристики этих изделий. Естественно, она аналогична температурной зависимости удельного сопротивления полупроводника, из которого изготовлен данный терморезистор. Когда терморезистивный элемент получен, его защищают специальными лаками, а в ряде случаев помещают в стеклянный или металлический корпус. При измерении сопротивления

106

Рис. 2.53. Температурная зависимость сопротивления терморезистора с порогом срабатывания 80 и 120 °C

надо поддерживать температуру терморезистора с высокой точностью (0,05–0,1 °C), так как сопротивление является функцией температуры.

Математическое описание

Сопротивление терморезистора при любой температуре Ò2 в интервале рабочих температур

B T1 T2 RT2 RT1 e T1T2 ,

ãäå RT — сопротивление терморезистора при температуре Ò, Îì; T — температура, при которой измеряется сопротивление, К; B — коэффициент температурной чувствительности, К.

Величина B определяется экспериментально измерением сопротивления терморезистора при двух температурах T1 è T2.

107

Применение

На основе терморезисторов действуют системы дистанционного и централизованного измерения и регулирования температуры, системы теплового контроля машин и механизмов, схемы температурной компенсации, схемы измерения мощности ВЧ. Терморезисторы находят применение в промышленной электронике и бытовой аппаратуре: рефрижераторах, автомобилях, электронагревательных приборах, телевизорах, системах центрального отопления и пр. В телевизорах часто используются терморезисторы с положительным ТКС для размагничивания кинескопа.

Самые первые устройства, где применялись терморезисторы,— это датчики для измерения или регулирования температуры.

Терморезисторы широко используются в различных устройствах не только в качестве датчиков температуры. После соответствующей модификации их можно применять в электронных устройствах задержки с достаточно широким интервалом времен задержки, в качестве конденсаторов или катушек индуктивности в низкочастотных генераторах, для защиты от выбросов напряжения в емкостных, индуктивных или резистивных схемах, в качестве ограничителей тока, напряжения, для измерения давления газа или теплопроводности.

2.11. Термоэлектрические и эмиссионные явления

Термоэлектрические явления — совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. Они объясняются тем, что процессы переноса заряда (электрический ток) и энергии взаимосвязаны, так как осуществляются посредством перемещения подвижных носителей тока — электронов проводимости и дырок.

Эмиссия — выход электронов из металла или полупроводника под действием сильного электрического поля, температуры или других факторов.

2.11.1. Эффект Зеебека

Входы: температура.

Выходы: ÝÄÑ.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.54.

Сущность

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводни-

108

Рис. 2.54. Возникновение ЭДС в электрической цепи

ков, контакты между которыми находятся при различных температурах. Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

Математическое описание

ЭДС в электрической цепи

12 T ,

ãäå 12 — удельная термоЭДС;

T — разность температур между спаями.

Применение

Эффект находит свое применение в датчиках температуры — термопарах.

А. с. 278162. Устройство для измерения скорости испарения, содержащее источник питания, датчик и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что с целью упрощения и удешевления устройства в нем дат- чик выполнен в виде термопары с четырьмя попарно одинаковыми термоэлектродами из тугоплавких металлов со спаем, расположенным в виде осаждения испаряемого вещества.

2.11.2. Эффект Пельтье

Входы: электрический ток.

Выходы: количество теплоты, температура.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.55.

Сущность

При протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводни-

109

ков поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока, тепло. Тепло Пельтье, выделенное или поглощенное

в слое, пропорционально полному заряду, прошедшему через спай, или произведению силы тока на время. Коэффициент

Пельтье зависит от рода соприкасающихся проводников и от их температуры.

Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (p èëè

n) (см. рис. 2.55). Объяснение эффекта Пельтье заключается во взаимодействии электронов проводимости, замедлившихся или ускорившихся в контактном потенциале p-n-перехода, с тепловыми колеба-

ниями атомов в массиве полупроводника. В результате, в зависимости от направления движения электронов и соответственно тока, происходит нагрев (Th) или охлаждение (Tc) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к спаю (p-n- èëè n-p-переходу).

Математическое описание

QÏ = Ïq = Ï I t,

ãäå QÏ — тепло Пельте, Дж;

П — коэффициент Пельтье;

q — заряд, прошедший через контакт, Кл; I — ток в проводнике, A;

t — время, с.

Тепло Пельтье меняет знак при перемене направления тока. Пределы изменений параметров: П1 = 10–2…10–3 В — металлы; П2 —

до 1 В — полупроводники; I — до нескольких ампер; Q — îò 0 äî 50 Äæ (çà 1 ñ).

Коэффициент Пельтье может быть выражен через коэффициент Томсона:

Ï = qT,

где — коэффициент Томсона;

T — абсолютная температура, К.

110