Zastosowania magnetyzmu

Magnetyzm jest zjawiskiem, które ma wiele zastosowań, w tym w codziennym życiu. Celem tego artykułu jest ustalenie objaśniającej listy tych ostatnich, z pewnością nie wyczerpującej, ale przywołującej główne i najczęściej spotykane. Są one pogrupowane poniżej w kategorie wyszczególnione w podsumowaniu.

Codzienne aplikacje

Płyty indukcyjne

Cewki zasilane prądem przemiennym wytwarzają pole magnetyczne oscylujące na ferromagnetycznym dnie naczyń. Ponieważ każda czasowa zmiana strumienia magnetycznego przechodzącego przez materiał ferromagnetyczny indukuje w nim prąd wirowy , na dnie naczynia powstaje prąd . To wprawienie elektronów w ruch siłą Lorentza powoduje rozproszenie energii przez efekt Joule'a , a tym samym podgrzanie naczynia.

Ładowanie indukcyjne akumulatorów: szczoteczki do zębów, telefony itp.

Na tej samej zasadzie cewka znajdująca się na podstawie ładującej indukuje prądy wirowe , tym razem w drugiej cewce umieszczonej w pobliżu akumulatora ładowanego urządzenia. Te indukowane prądy mogą zatem zasilać akumulator i ładować go. Aby uzyskać maksymalną wydajność, konieczne jest jak najlepsze wyrównanie cewek.

Na poziomie przemysłowym standard Qi jest najbardziej rozpowszechniony i korzysta z niego ponad 200 firm. Można w szczególności wymienić: Belkin, Freescale, Haier, HTC, IKEA, LG, Microsoft, Motorola, Nokia, Panasonic, Samsung, Sony, TDK, Texas Instruments. W dniu23 czerwca 2015 rMoc maksymalna może być przesyłany do kompatybilnego telefonu wynosi 15  W . Sprawność między prądem sieciowym a akumulatorem wynosi około 52% w porównaniu z 65% w przewodach.

Zastosowania elektromagnesu

Elektromagnes jest magnesem dla których pole magnetyczne jest wytwarzane z prądem elektrycznym . Najprostszym sposobem wykonania elektromagnesu jest owinięcie przewodu przewodzącego wokół materiału ferromagnetycznego lub ferrimagnetycznego i podanie go. W ten sposób pole magnetyczne wytwarzane przez prąd płynący w uzwojeniu jest przenoszone przez rdzeń magnetyczny.

Wiele zastosowań wykorzystuje elektromagnesy  : separatory magnetyczne, ruch materiałów żelaznych w przemyśle recyklingu lub konserwacji kolei itp. Prosty przykład: zatrzask drzwi z elektromagnesem.

Zatrzask drzwi elektromagnesu:

Ta aplikacja może być schematycznie odwrotna:

Na stałej części drzwiczek znajduje się elektromagnes, a na drzwiczkach materiał ferromagnetyczny lub ferrimagnetyczny pozwalający na zamknięcie obwodu.

Siła wywierana przez pole magnetyczne jest: , z fa=b2.W2.μ0{\ Displaystyle F = {\ Frac {B ^ {2} .A} {2. \ mu _ {0}}}}

b{\ displaystyle B}  : indukcja magnetyczna generowana przez system W{\ displaystyle A} : sekcja magnetycznego serca μ=bH.{\ displaystyle \ mu = {\ frac {B} {H}}} : przenikalność magnetyczna rdzenia magnetycznego μ=μ0.μr{\ displaystyle \ mu = \ mu _ {0}. \ mu _ {r}} z przepuszczalnością próżniμ0=4π.10-7H..m-1{\ Displaystyle \ mu _ {0} = 4 \ pi. 10 ^ {- 7} Hm ^ {- 1}}

• Korzyści :

- Łatwość instalacji w porównaniu z systemami mechanicznymi o wysokim poziomie bezpieczeństwa. - Szybkość blokowania / odblokowywania: natychmiastowe blokowanie po wyłączeniu zasilania.

• Niedogodności:

- Stała potrzeba źródła zasilania. - Problem z bezpieczeństwem, ponieważ drzwi pozostaną zamknięte w przypadku awarii zasilania.

Dyski twarde

Informacje są przechowywane przy użyciu orientacji domen magnetycznych cienkiej warstwy ferromagnetycznej osadzonej na dysku. Rozmiar tego ostatniego jest rzędu 20 nm. Na tym samym mechanicznym ramieniu umieszczona jest głowica odczytująca i głowica zapisująca. To pozwala im ustawić się w dowolnym miejscu na obracającym się dysku, aby mogli wykonywać swoje czynności.

Najbardziej podstawową głowicą do odczytu jest głowica indukcyjna zbudowana z elektromagnesu . Kiedy strefa magnetyczna przechodzi w pobliżu elektromagnesu , w uzwojeniu powstaje prąd elektryczny. W zależności od następstwa regionów magnetycznych, wytworzone pole jest mniej lub bardziej intensywne, podobnie jak indukowany prąd (patrz wykres obok) .

Najnowsze głowice do odczytu składają się z czujników GMR i TMR, wykorzystujących odpowiednio efekty gigantycznego magnetooporu i tunelowego magnetooporu (patrz paragraf „czujniki magnetorezystancyjne” poniżej). Zmiana pola magnetycznego w dysku wpływa na opór elektryczny materiału, z którego wykonana jest głowica odczytująca. Te głowice czytające mają tę zaletę, że w porównaniu z głowicami indukcyjnymi są mniejsze. Niemniej jednak konieczne jest wykonanie ekranowania magnetycznego wokół materiału magnetooporowego , tak aby wpływały na niego tylko zmiany pola magnetycznego dysku. W tej metodzie rozdzielczość między dwoma ścieżkami jest ograniczona wielkością elementu magnetorezystywnego w głowicy czytającej.

Głowica pisząca jest najczęściej indukcyjna. Zbudowany z elektromagnesu , ten ostatni może, w zależności od kierunku prądu w cewce, przykładać przeciwstawne pola magnetyczne do różnych obszarów dysku. Celem było zastosowanie pola magnetycznego dostatecznie silnego, aby przekroczyć pozostające namagnesowanie materiału ferromagnetycznego , a tym samym pozwolić domenie magnetycznej na utrzymanie swojego namagnesowania w przypadku braku pola magnetycznego .

Badania prowadzone są od lat 90-tych nad cząsteczkami z własnym namagnesowaniem: magnesami molekularnymi . W niskiej temperaturze te cząsteczki mają właściwości podobne do właściwości magnesów i dlatego można je uznać za bardzo małe cząstki magnetyczne, idealne do tworzenia lepszych urządzeń do przechowywania informacji.

Taśma magnetyczna

Ze względu na solidność przechowywania, niski koszt i dużą pojemność, taśma magnetyczna jest idealna do archiwizacji danych. Zwłaszcza, że ​​ta metoda przechowywania ma dużą zaletę w długoterminowej archiwizacji: nie jest podatna na awarie mechaniczne, na które mogą napotkać dyski twarde .

Występuje w różnych formach: taśmy magnetyczne w wolnej szpuli (taśmy utrzymywane na pojedynczym rdzeniu), taśmy kasetowe, kasety z taśmą magnetyczną.

Jeśli chodzi o przechowywanie długoterminowe, ważne jest, aby zapewnić solidność procesu. Czynnikiem ograniczającym żywotność taśmy magnetycznej jest degradacja cząstek magnetycznych w czasie.

Ta zmiana silnie zależy od temperatury przechowywania.

Stabilność termiczną cząstek magnetycznych szacuje się za pomocą następującego wzoru: z K.u.VkT{\ displaystyle {\ frac {K_ {u} .V} {kT}}}

K.u{\ displaystyle K_ {u}} : stała izotropii cząstki

V{\ displaystyle V} : średnia objętość cząstki

k{\ displaystyle k} : Stała Boltzmanna

T{\ displaystyle T} : temperatura w kelwinach

Jeśli ten stosunek jest większy niż 65, stabilność termiczna może prowadzić do 30-letniej żywotności. Magnetyczne dyski twarde mają współczynnik między 45 a 60, podczas gdy współczynnik taśm magnetycznych znacznie przekracza 100.

IBM , Fujifilm i Oracle ogłosiły 30-letnią żywotność taśmy magnetycznej opartej na ferrytie baru .

Zastosowania medyczne

Obrazowanie i charakterystyka medyczna

• MRI: obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego

Obrazowanie metodą jądrowego rezonansu magnetycznego (MRI) jest najbardziej znanym zastosowaniem jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) w obrazowaniu medycznym. Pozwala uzyskać widok 2D lub 3D części ciała, w szczególności mózgu.

NMR wiąże się z właściwościami pewnych atomów umieszczonych w polu magnetycznym. Efekt ten jest stosowany głównie jako spektroskopowa metoda analizy materii. NMR obejmuje promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo niskiej energii, dzięki czemu umożliwia niezwykle szczegółowe i nieniszczące badanie próbki.
Atomy, których jądro ma nieparzystą liczbę protonów i neutronów, mają spin jądrowy, to znaczy niezerową liczbę kwantową o spinie. Te izotopy atomowe umieszczone pod polem magnetycznym mogą mieć dwa różne stany. Stosując odpowiednie promieniowanie, pulsujący foton spowoduje oscylację jądra od jednego stanu energii do drugiego: mówimy o rezonansie. Po powrocie do stanu równowagi jądro emituje foton. Promieniowanie to, oprócz wskazania na obecność jądra, może również dostarczyć informacji o środowisku cząsteczki. W przypadku MRI wykorzystuje się atom wodoru obecny w wodzie ( ) komórek organicznych.H.2O{\ displaystyle H_ {2} O}

• MEG: Magnetoencefalografia

Podobnie jak elektroencefalogram , magnetoencefalogram mierzy pole magnetyczne indukowane przez aktywność elektryczną neuronów w mózgu. Te wyjątkowo słabe pola magnetyczne są mierzone za pomocą magnetometru SQUID , urządzenia pomiarowego z pętlą nadprzewodzącą , chłodzonego ciekłym helem.
MEG umożliwia śledzenie ewolucji nerwowej wiadomości w czasie. Służy również do wczesnej diagnostyki chorób neurodegeneracyjnych (choroba Alzheimera i Parkinsona) lub do określania przypadków padaczki.

• RPE: Elektroniczny rezonans paramagnetyczny

Elektroniczny rezonans paramagnetyczny jest zjawiskiem analogicznym do magnetycznego rezonansu jądrowego i dotyczy niesparowanych elektronów . Efekt ten jest również używany jako metoda spektroskopowa do wykazania obecności tych elektronów. Można na przykład wydedukować strukturę cząsteczki. Technika ta jest powszechnie stosowana jako metoda analizy próbek biologicznych.

Magnetyczne nanocząsteczki i ferrofluidy

Drugim obszarem zastosowania magnetyzmu w medycynie jest zastosowanie nanocząstek magnetycznych w kontekście terapeutycznym. W ciągłym rozwoju takie cząstki mają tę zaletę, że można nimi sterować zdalnie lub emitować dużą ilość energii cieplnej pod wpływem pola magnetycznego. Nazywany ferrofluidem , stabilny płyn magnetyczny składający się z nanocząstek ferromagnetycznych o średnicy od 5 do 12 nm i zdyspergowanych w fazie ciekłej (wodnej lub organicznej).
Rozwój bio-nanotechnologii pozwala na wykorzystanie nanocząstek magnetycznych jako nośników biomolekuł do różnych zastosowań in vitro, są one wykorzystywane jako stałe nośniki do ekstrakcji, oczyszczania, zatężania i transportu biocząsteczek lub po prostu jako narzędzie do wykrywania; in vivo, jako środki kontrastowe w diagnostyce, leczeniu raka i uwalnianiu aktywnych cząsteczek (terapia). Najbardziej ambitnym zastosowaniem jest
leczenie guzów nowotworowych metodą hipertermii magnetycznej . Wstrzyknięcie ferrofluidu do komórek rakowych powoduje ich podgrzanie pod działaniem pola magnetycznego, które je niszczy.

Aplikacje związane z transportem

Pociąg lewitacji magnetycznej

Od czasu powstania pierwszej kolei niewiele się zmieniło pod względem podstawowych koncepcji technicznych: pociągi są nadal obsługiwane, prowadzone i napędzane przez koła. Pojawił się jednak nowy system pociągów: to właśnie pociągi lewitacji magnetycznej są podtrzymywane, napędzane i kierowane wyłącznie siłą elektromagnetyczną . Ta nowa koncepcja ma wiele zalet dzięki rewolucyjnej technologii zwanej „bezkontaktową”.

Pociąg do lewitacji magnetycznej to pociąg jednoszynowy, który wykorzystuje siły magnetyczne do poruszania się. Istnieją dwa główne typy pociągów windowych.

• Typ lewitacji elektrodynamicznej (lub EDS) wykorzystuje magnesy nadprzewodzące . Najbardziej udanym projektem jest japoński Maglev . Cewki nadprzewodzące są umieszczane w pociągu, a elektromagnesy wzdłuż toru. Te 8-kształtne cewki są przeciwne, więc odpychają się nawzajem. Prowadzenie odbywa się za pomocą tych samych cewek, co te, które zapewniają lewitację. Prąd elektryczny przepływający przez cewki jest wytwarzany przez przechodzenie magnesów nadprzewodzących, zgodnie z zasadą indukcji elektromagnetycznej. W ten sposób dolna część 8 cewki zapewnia lewitację przez odpychanie, a górna część 8 - prowadzenie, również przez odpychanie. Gdy pociąg się porusza, w torze indukowany jest prąd. Wynikające siłą Laplace'a unosi pociąg około dziesięciu centymetrów ponad podłożem. Ruch pociągu generuje bardzo istotny opór elektromagnetyczny, stąd duże zużycie energii.

• Typ lewitacji elektromagnetycznej (lub EMS) wykorzystujący konwencjonalne elektromagnesy . Opór elektromagnetyczny jest tutaj bardzo niski lub nawet zerowy. Niemiecki Transrapid jest głównym przykładem. Szyna „nośna” zawiera magnesy lub elektromagnesy. Interakcja między magnesami na pokładzie pociągu i magnesami rozmieszczonymi wzdłuż toru tworzy indukowaną siłę magnetyczną, która kompensuje grawitację i umożliwia lewitację . Magnesy te przyciągają pociąg do góry i zapewniają wystarczający odstęp między szyną a pociągiem, co zapobiega stratom spowodowanym tarciem. Ponadto przy dużych prędkościach opór aerodynamiczny stanowi zdecydowanie główny opór ruchu do przodu. Pociąg jest prowadzony równolegle do toru za pomocą sił elektromagnetycznych, bez kontaktu. Cewki prowadzące szyny znajdują się po ich bokach, naprzeciw cewek prowadzących pociągu.

Hamowanie magnetyczne

Hamulec magnetyczny jest wykorzystywany jako dodatkowy hamulec w branży kolejowej i autostrady z wykorzystaniem prądów wirowych zasadę .

W sektorze autostrad hamulce te są stosowane w samochodach ciężarowych i autokarach i działają raczej jako zwalniacze niż hamulce, na zasadzie prądu wirowego wytwarzanego w przewodzącej masie metalowej. Tarcze zintegrowane z kołami są obramowane elektromagnesami . Pod napięciem te elektromagnesy indukują prąd w tarczach, generując w ten sposób moment hamowania .

Jest stosowany w kolejnictwie jako uzupełnienie hamowania pneumatycznego lub elektrycznego w celu zwiększenia siły hamowania. System ten jest aktywowany tylko w przypadku hamowania awaryjnego, gdy konieczne jest zahamowanie na jak najkrótszym odcinku. Zbudowane z zestawu podnośników + okładzin przymocowanych do ramy wózka, hamulce działają poprzez opuszczenie klocków na szyny za pomocą podnośników. W celu dociśnięcia podkładek do szyn powstaje pole magnetyczne.

• Uruchomiony hamulec magnetyczny

• Hamulec magnetyczny w normalnej pozycji

Czujniki magnetyczne

Czujniki magnetyczne są wszczepiane w wielu przedmiotach codziennego użytku. Na przykład nowy samochód może zawierać więcej niż trzydzieści. Można je również znaleźć w lodówkach, pralkach, a nawet w niektórych butach sportowych. Rzeczywiście, naukowcy pracują obecnie nad realizacją jedynej zdolnej do ciągłej adaptacji. Istnieje około piętnastu typów czujników. Wśród nich niektóre to czujniki pola (czujniki bezpośrednio mierzące wartość pola magnetycznego wzdłuż jednej lub więcej osi), a inne to czujniki przepływu (czujniki mierzące całkę pola przechodzącego przez powierzchnię)

Czujniki polowe

• Kompas, pomiar pola ziemi:

Istnieją dwa rodzaje kompasów , mechaniczne (pierwszy stworzony, ale coraz rzadziej używany) i elektroniczny (coraz częściej używany). Kompas mechaniczny jest oparta na orientacji igły w polu magnetycznym Ziemi przez pomiar pola magnetycznego. Z drugiej strony kompas elektroniczny opiera się na pozycjonowaniu satelitarnych odniesień przestrzennych. Ogólnie rzecz biorąc, kompas elektroniczny jest powiązany z GPS , co umożliwia zorientowanie map GPS we właściwym kierunku. Sterowanie pozycjonowaniem w przestrzeni (z ziemskim polem magnetycznym jako osią odniesienia) jest również rozwijane do innych zastosowań, takich jak gry, nagrania ruchu, a także roboty. Kompas elektroniczny zawiera kilka osiowych czujników magnetycznych (czułych na kierunek pola magnetycznego) połączonych z pomiarami nachylenia, a czasem z akcelerometrami . Główne technologie stosowane w tych kompasach to efekt Halla , mikrofluxgates oraz gigantyczny efekt impedancji magnetycznej (GMI), który wykorzystuje bardzo duże wahania absorpcji częstotliwości radiowej niektórych materiałów magnetycznych w zależności od ich statycznej konfiguracji magnetycznej.

• Czujnik położenia i kąta:

Ten typ czujnika wykorzystuje system kodowania położenia lub kąta. Zasada jest taka, aby mieć cylinder lub koło (jak pokazano na poniższym schemacie) z naprzemiennymi biegunami magnetycznymi, których przejście zostanie wykryte przez czujnik magnetyczny. Podczas ruchu przejście przez zero, polegające na odwróceniu składowej pola magnetycznego w zadanym kierunku, umożliwia zlokalizowanie fizycznego położenia wycięcia. Dlatego rozdzielczość tego czujnika zależy od dwóch parametrów: liczby nacięć (dla koła zębatego) oraz liczby czujników magnetycznych. Słabą czułość pola lepszą niż w przypadku czujników z efektem Halla można uzyskać za pomocą gigantycznego magnetooporu (patrz czujnik magnetooporowy). Ten typ czujnika jest stosowany głównie w samochodach, sprzęcie do pomiaru prędkości, pomiarze kąta obrotu silników lub elementów wirujących.

• Czujnik prądu:

Bezdotykowy pomiar prądu to także zastosowanie czujników magnetycznych. Zasada jest prosta, prąd płynący w przewodniku wytwarza ortoradialne pole magnetyczne, pole Oersteda , które można wykryć bezdotykowo, co zapewnia izolację między pomiarem a obwodem. Zasada ta jest również stosowana w licznikach energii elektrycznej lub w instalacjach przemysłowych wymagających izolacji galwanicznej . Na przykład pomiar zużycia energii elektrycznej w domach odbywa się za pomocą bezkontaktowych czujników prądu. W tym przypadku mierzone prądy są silne, a liniowość jest bardzo ważna. Z tego powodu stosowane są stosunkowo zoptymalizowane czujniki Halla .

• Czujnik magnetooporowy:

Czujniki magnetorezystywne to czujniki pola: bezpośrednio mierzą wartość pola magnetycznego wzdłuż jednej lub więcej osi. Ten typ czujnika można podzielić na dwie części, czujniki typu AMR (anizotropowy magnetoopór) i czujniki typu GMR (gigantyczny magnetoopór).

Czujniki magnetooporu anizotropowego (AMR):

Ten typ czujnika jest najczęściej używany, szczególnie w aplikacjach takich jak telefony, komputery PC lub wykrywanie otwarcia / zamknięcia drzwi.

Zasada działania czujnika AMR opiera się na zmianach rezystancji elektrycznej materiału ferromagnetycznego w funkcji kierunku przyłożonego do niego pola magnetycznego, jak pokazano schematycznie na powyższym schemacie. Jeśli chodzi o ich czułość, nie zależy ona od ich wielkości i jest rzędu 1  mV / Gaussa. Ponadto ich zakres stosowania jest ograniczony do +/- 25 Gaussów. Ponadto zmiana rezystancji (nazywana również wielkością magnetooporu) na wyjściu jest stosunkowo niewielka, rzędu 3%. W związku z tym konieczne będzie przepuszczanie przez te materiały dostatecznie dużego prądu, aby na wyjściu można było uzyskać nadający się do wykorzystania sygnał.

Gigantyczne czujniki magnetooporowe (GMR):

Gigantyczne czujniki magnetooporowe wywodzą się z elektroniki spinowej. Jednym z ich głównych zastosowań jest zastąpienie cewek indukcyjnych, ponieważ można je zminiaturyzować do rozmiarów kilkudziesięciu mikronów. W rezultacie możliwa jest integracja tych GMR w systemach CMOS zawierających elektronikę przetwarzającą sygnały. Z drugiej strony, przy bardzo wysokich częstotliwościach cewki indukcyjne pozostają najbardziej wydajne, ponieważ mają czułość proporcjonalną do pochodnej strumienia, który rośnie wraz z częstotliwością. Efekt GMR polega na ułożeniu warstw ferromagnetycznych i niemagnetycznych o grubości kilku nanometrów. To pozwala mu mieć najbardziej niezwykłe występy. Rzeczywiście, gdy przyłożone jest pole magnetyczne, ich opór elektryczny spada w zakresie od 10% do 20%.

• Czujnik magnetosonowy:

Czujnik magnetosoniczny jest absolutnym liniowym czujnikiem przemieszczenia bez styków mechanicznych, który działa na zasadzie magnetostrykcji . Ten typ czujnika wymaga wytworzenia i odbioru fali sprężystej. W tym celu do gry wprowadzane są dwa efekty:

• Wytwarzanie fali sprężystej: efekt Wiedemanna, który polega na skręcaniu ferromagnetycznego cylindra, gdy jest on jednocześnie poddawany działaniu podłużnego pola magnetycznego i poprzecznego pola kołowego.
• Odbiór fali sprężystej: efekt Villariego , naprężenie mechaniczne powoduje w ciele ferromagnetycznym zmiany w magnetyzacji i przepuszczalności.

Ten czujnik składa się z różnych elementów:

rurkę ze stopu ferromagnetycznego , wokół której przesuwa się magnes toroidalny połączony z telefonem komórkowym, którego pozycja jest przedmiotem pomiaru; - przewodzący drut umieszczony w osi rury i podłączony do generatora impulsów elektrycznych; - odbiornik zawierający wzbudnik, którego rdzeń jest mechanicznie połączony z rurą.

Impuls elektryczny jest przykładany do przewodnika wewnętrznego: rozchodzi się on w rurze z prędkością światła, a związane z nim pole magnetyczne ma swoje koliste linie siły, wyśrodkowane na osi. Kiedy ta fala przechodzi przez magnes, połączenie ich dwóch pól magnetycznych (magnesu i fali) powoduje efekt Wiedemanna . Dlatego fala nadal się rozchodzi i docierając do jądra receptora powoduje efekt Villariego . W efekcie praktycznie mamy:

tp=lV{\ displaystyle t_ {p} = {l \ ponad V}}

z:

t p , przedział czasu oddzielający emisję od odbioru fali sprężystej l , odległość między odbiornikiem a magnesem połączonym z telefonem komórkowym V , prędkość propagacji fali (V << c)

Czas ten można na przykład policzyć licznikiem impulsów.

Czujniki przepływu

• SQUIDs:

Tego typu czujniki są urządzeniami nadprzewodzącymi opartymi na efekcie Josephsona . SQUID składają się z nadprzewodzącego pierścienia, w który włożono jedną lub dwie małe warstwy izolacyjne. Dzięki takiej strukturze i ilościowemu określeniu strumienia w pierścieniu ten typ czujnika jest bardzo czuły na każde pole magnetyczne. W Kalmary są najbardziej skuteczne czujniki do pomiaru pól magnetycznych, w tym bardzo niskie. Na przykład aktywność ludzkiego mózgu w czasie rzeczywistym może być mierzona za pomocą tego typu czujnika. Możliwe jest zatem przeprowadzenie bardzo dokładnych badań magnetoencefalograficznych . Czujniki te znajdują zastosowanie nie tylko w medycynie, ale także w innych dyscyplinach, w których obecność magnetometrów o wysokiej wydajności jest niezbędna: fizyka, archeologia, geologia ...

• Ultrczułe czujniki pola:

Czujniki te są powszechnie nazywane czujnikami mieszanymi, umożliwiając osiągnięcie poziomu czułości rzędu fT / √Hz, porównywalnego z najlepszymi istniejącymi czujnikami magnetycznymi SQUID (nadprzewodnikowymi urządzeniami zakłócającymi kwant). Są to czujniki oparte na asocjacji pętli nadprzewodzącej, działającej jako transformator pola strumienia, oraz czujniki GRM, które umożliwiają pomiar wzmocnionego pola lokalnego. Poniższy rysunek przedstawia widok tego typu czujnika z dwoma GRM zamontowanymi w półmostku. W pętli nadprzewodzącej (zaznaczonej na czerwono na rysunku) słabe pole na dużym obszarze zamienia się w intensywne pole na bardzo małym obszarze. Przy wysokiej temperaturze krytycznej można w tym przypadku uzyskać przyrosty rzędu 1000. Krótko mówiąc, tego typu czujniki niskotemperaturowe mogą osiągać wykrywalność 1 fT / √Hz przy 4K i 5 fT / √Hz przy 77 K powyżej 10  kHz . Natomiast przy niskiej częstotliwości szum rezystancyjny zmniejsza czułość do 100 fT / √Hz przy 1  Hz . Jednym z głównych zastosowań tych czujników jest magnetoencefalografia (MEG), która umożliwia obrazowanie prądów neuronalnych przepływających w mózgu przez pole wypromieniowywane przez te prądy.

• Fluxgates:

Bramkowania strumienia są magnetometry wykonane z miękkiego serca magnetycznego w otoczeniu cewki magnesu, który pozwala opisać pętlę histerezy . Cykl ten można przesunąć, a tym samym wykryć obecność pola magnetycznego. Odwołując się do prawa Faradaya , zmieniający się strumień wytwarza napięcie proporcjonalne do tego strumienia. Dlatego bramkę strumienia można porównać do przetwornika, który przekształca pole magnetyczne w napięcie elektryczne. Duży zakres pomiarowy tych czujników (od 0,1 nT do 1 mT, dla pól stałych lub zmieniających się przy częstotliwościach do kilku kHz) sprawia, że ​​przyrząd ten jest bardzo wszechstronny. Są one szczególnie cenione w dziedzinie geologii do pomiaru pól geomagnetycznych, wojsku do wykrywania min przeciwpiechotnych i wreszcie w polu kosmicznym do sterowania pozycjonowaniem satelity.

Porównanie różnych typów czujników magnetycznych

Oto przegląd różnych typów czujników magnetycznych, ich wykrywalności, a także niektórych głównych zastosowań. Jeśli chodzi o wykrywalność, definiuje się ją jako poziom pola magnetycznego dla stosunku sygnału do szumu (podanego przy 1  kHz ) równego 1 dla pasma częstotliwości pomiaru 1  Hz . Poniższe wartości dotyczą czujników, które można wytwarzać w sposób odtwarzalny.

Kilka przydatnych akronimów:

- MRI  : obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego - MCG  : Magnetokardiografia - MEG  : Magnetoencefalografia - Tc  : temperatura krytyczna - TMR  : magnetooporność tunelowa

Inżynieria elektryczna

Transformers

Jest to element elektroniczny, który przekształca wysokie napięcia przemienne w niskie napięcia przemienne i odwrotnie. Częstotliwości są zachowane podczas transformacji.

Transformatory izolowane galwanicznie

Obwody pierwotne i wtórne są izolowane galwanicznie. Oznacza to, że oba obwody mają dwie różne masy lub że nie ma fizycznego kontaktu między dwoma obwodami. Obejmuje transformatory mocy i transformatory izolacyjne.

• Z obwodem magnetycznym (lub wspomnianym rdzeniem ferromagnetycznym):

Organy transformatora:

- Solenoid, który tworzy tak zwany obwód pierwotny złożony z zwojów N1- Kolejny solenoid, który tworzy tak zwany obwód wtórny złożony z zwojów N2- Obwód magnetyczny wykonany z miękkiego materiału ferromagnetycznego

Zasada działania:

Napięcie U1 jest przykładane do zacisków elektromagnesu, który stanowi obwód pierwotny. Kiedy prąd przepływa przez zwoje, pętle pola magnetycznego są tworzone prostopadle do zwojów (przez zastosowanie prawa Biota i Savarta lub twierdzenia Ampère'a ).

To pole magnetyczne jest kierowane do solenoidu obwodu wtórnego przez obwód magnetyczny. Ten typ obwodu jest wykonany z materiału ferromagnetycznego  : gdy pole jest przyłożone do tego typu materiału, zostaje on namagnesowany w kierunku przyłożonego pola magnetycznego, aby zminimalizować jego energię Zeemana . Innymi słowy, różne momenty magnetyczne tworzące materiał są zorientowane w kierunku pola. Dlatego też pole magnetyczne wytwarzane na stronie pierwotnej podąża za obwodem magnetycznym, ponieważ energetycznie jest bardziej korzystne.

Pole magnetyczne wytworzone w pierwotnym dociera do wtórnego. Następuje zjawisko indukcji magnetycznej . Prawo Lenza-Faradaya mówi, że gdy przez solenoid przechodzi strumień magnetyczny, który zmienia się w czasie, na solenoid pojawia się siła elektromotoryczna, która generuje zmienny strumień magnetyczny w czasie, który przeciwstawia się pierwszemu strumieniowi. Dlatego konieczne jest stosowanie napięć przemiennych, a zatem siła elektromotoryczna U2 pojawia się na zaciskach elektromagnesu .

Siła elektromotoryczna jest ważna: ponieważ używamy zmiennych pól magnetycznych, w obwodzie magnetycznym konieczne jest użycie miękkiego materiału ferromagnetycznego . Rzeczywiście, konieczne jest, aby magnetyzacja podążała za polem, a ponieważ pole często się zmienia, magnetyzacja musi się często obracać. Dlatego konieczne jest posiadanie możliwie najsłabszych pól koercyjnych i silnej podatności magnetycznej, aby łatwo przywrócić namagnesowanie. Stosunek transformacji jest ważny .fa.mi.m=reθret=-b→.reS→ret{\ Displaystyle fem = {\ Frac {d \ theta} {dt}} = - {\ Frac {{\ vec {B}}. {\ vec {dS}}} {dt}}}



m=U2U1{\ displaystyle m = {U2 \ ponad U1}} ={\ displaystyle =} NIE2NIE1{\ Displaystyle {N2 \ ponad N1}}

Zmieniając liczbę zwojów N1 i N2, możemy przekształcić napięcia.

• Bez obwodu magnetycznego (lub zwanego rdzeniem powietrznym):

Jego komponenty i zasada działania są identyczne z transformatorem z obwodem magnetycznym, z tym wyjątkiem, że go nie ma. Mniejszej średnicy wtórny elektromagnetyczny jest wewnątrz większej średnicy podstawowej elektromagnesu . Strumień magnetyczny generowany przez pierwotny przechodzi bezpośrednio przez wtórny solenoid .

Słynny przykład transformatora z rdzeniem powietrznym: transformator Tesli (lub bardziej znany jako cewka Tesli).

Transformatory nieizolowane galwanicznie

Ten typ transformatora składa się z jednego elektromagnesu . Odchylenie jest zainstalowane na jednym z zwojów tworzących elektromagnes . To ugięcie może być stałe ( autotransformator ) lub ruchome (zmienny autotransformator lub alternostat) zwane szczotkami (zwykle wykonane z węgla).

Napięcie U1 jest przykładane do zacisków elektromagnesu . Dlatego pętle pola magnetycznego są tworzone prostopadle do zwojów. Pojawia się zjawisko samoindukcji, zgodnie z prawem Lenza-Faradaya : powstaje siła elektromotoryczna, która przeciwdziała zmianom strumienia magnetycznego przechodzącego przez solenoid . To przekształcone napięcie U2 jest odzyskiwane na poziomie odchylenia.

Ten typ transformatora ma tę zaletę, że jest tańszy w produkcji, mniej masywny i ma lepszą wydajność, ale ma tę wadę, że nie jest izolowany galwanicznie, więc wypadki porażenia prądem są bardziej prawdopodobne.

Przekaźniki elektromechaniczne

Jest to element elektroniczny sterowany małymi mocami (niskie napięcia i niskie prądy), który umożliwia działanie jako wyłącznik w obwodach elektronicznych dużej mocy (wysokie napięcia i duże prądy).

Części składające się na przekaźnik:

• Elektromagnetyczny zasilanych prądem stałym lub zmiennym napięciu

• Ruchoma rama wykonana z materiału ferromagnetycznego

• Kilka ruchomych metalowych styków

Zasada działania:

Na zaciski elektromagnesu przykładane jest napięcie (przemienne lub stałe, w zależności od trybu pracy) . Następnie przez zwoje cewki przepływa prąd. Zjawisko indukcji magnetycznej po czym następuje  : magnetycznych pętli pole tworzy prostopadle do zwojów (zastosowanie prawa Biot, Savarta lub z twierdzeniem Ampera dla elektromagnesu ).

Ruchoma zwora ferromagnetyczna jest umieszczona na końcu solenoidu . Kiedy pole magnetyczne jest przyłożone do materiału ferromagnetycznego , magnesuje ono w tym samym kierunku co przyłożone pole magnetyczne, aby zminimalizować energię Zeemana . Dlatego materiał ferromagnetyczny będzie miał tendencję do zbliżania się do najbardziej intensywnego pola magnetycznego (które znajduje się w środku cewki), ponieważ jest bardziej korzystne energetycznie. Dlatego zwora „sklei” elektromagnes .

Poprzez „przyklejenie” elektromagnesu , zwora przełącza się, naciskając ruchomy metalowy styk, który umożliwia działanie jako przełącznik.

Zalety tego typu elementu:

- Główną zaletą tego typu elementu jest izolacja galwaniczna, jaką zapewnia między częścią sterującą małej mocy (solenoid) a częścią dużej mocy obwodu elektronicznego, który ma być przełączany (połączona metalowymi stykami) - Zdolność do przełączania sygnałów DC lub AC z części sterującej przy wysokiej częstotliwości, a zatem z dużą reaktywnością

Wady tego typu elementu:

- Ze względu na obecność solenoidu, gdy przechodzi się nagle z jednego stanu do drugiego, zatrzymując przepływ prądu lub odwrotnie, wytwarzane pole magnetyczne zmienia się w czasie. Prawo Lenza-Faradaya wskazuje, że na solenoid pojawia się siła elektromotoryczna, która indukuje pole magnetyczne, które ma tendencję do przeciwstawiania się zmianom strumienia magnetycznego w czasie. Zjawisko to wywołuje pasożytnicze przepięcia na zaciskach solenoidu, które mogą uszkodzić inne elementy części sterującej. W rezultacie umieszczona jest dioda, aby uniknąć tych przepięć. - Pojemnościowe sprzężenia między metalowymi stykami, które mogą powodować łuk styków między nimi. Wilgotność otoczenia może wpływać na to zjawisko. W rezultacie przejście z jednego stanu do drugiego w czasie nie jest zbyt precyzyjne.

Istnieje inny typ przekaźnika: przekaźnik statyczny ( transoptor ). Działa to na interakcję między diodą LED a fotodiodą lub fototranzystorem. Ma to tę zaletę, że nie ma części mechanicznej. W ten sposób unika się problemów związanych ze zużyciem mechanicznym i można zwiększyć częstotliwość przełączania. Ma jednak poważną wadę: nie wytrzymuje zbyt wysokiego napięcia lub zbyt wysokiego prądu.

Maszyny elektryczne

Historyczny

Elektromagnetyzm została odkryta w 1821 roku przez duńskiego chemika Ørsted . Angielski fizyk Michael Faraday zbudował dwie obracające się maszyny, wykorzystując zjawiska związane z elektromagnetyzmem.

W 1822 roku Peter Barlow zbudował coś, co można uznać za pierwszy silnik elektryczny w historii: „  koło Barlowa  ”, które jest metalową płytą w kształcie gwiazdy i którego wierzchołki zanurzają się w zbiorniku wypełnionym rtęcią, który umożliwia przewodzenie prądu elektrycznego. Jednak wytwarza tylko niewielką siłę wystarczającą do obrócenia koła, co nie pozwala na praktyczne zastosowanie.

W 1869 roku belgijski wynalazca Zénobe Gramme ulepszył pierwsze archaiczne wersje alternatorów i umożliwił produkcję prądnic prądu stałego. W 1871 roku przedstawił Akademii Nauk w Paryżu pierwszy przemysłowy generator prądu stałego , maszynę Gramme .

Pierwszy patentowym n O  391968 części silnika elektrycznego prądu przemiennego, jest złożony serbski urodzonego fizyka Nikola tesli w 1887 roku .

silniki elektryczne

Silnik elektryczny to urządzenie elektromechaniczne , które wykorzystuje elektromagnetyzm do przekształcania energii elektrycznej w energię mechaniczną. Proces ten jest odwracalny i umożliwia również produkcję energii elektrycznej z energii mechanicznej . Wytworzona energia jest proporcjonalna do momentu obrotowego i kątowego przemieszczenia silnika.

• Silniki prądu stałego:

Główną zaletą silników na prąd stały jest ich łatwe przystosowanie do różnych sposobów sterowania ich prędkością, momentem obrotowym i kierunkiem obrotów: napędy o zmiennej prędkości . Ale także ich bezpośrednie połączenie ze źródłem energii elektrycznej: bateriami akumulatorów, ogniwami, superkondensatorami itp.

Słabym punktem silników prądu stałego jest trudny do osiągnięcia zespół szczotka / kolektor obrotowy, który zmniejsza sprawność silnika i jego żywotność. Ponadto prędkość obrotowa silników z wirnikiem uzwojonym jest ograniczona. Rzeczywiście, przy dużej prędkości siła odśrodkowa może zerwać ogniwa, zapewniając spójność zestawów zwojów.

Te wady zostały częściowo rozwiązane przez produkcję silników bez wirnika, takich jak silniki „tarczowe” lub „dzwonowe”, które jednak nadal wykorzystują szczotki. Te wady zostały całkowicie wyeliminowane dzięki technologii silników bezszczotkowych , czyli „silnika bezszczotkowego”.

• Silniki prądu przemiennego:

Do zastosowań o małej i średniej mocy (do kilku kilowatów) wystarczająca jest standardowa sieć jednofazowa . W przypadku zastosowań powyżej kilku kW silniki prądu przemiennego są zwykle zasilane z trójfazowego źródła prądu (fazy przesunięte o 120 °), używanego przez dostawców energii elektrycznej.

Istnieją trzy typy silników trójfazowych:

- silniki uniwersalne; - silniki synchroniczne; - Silniki asynchroniczne.

Silniki uniwersalne  :

Może być zasilany prądem stałym lub zmiennym .
Silniki uniwersalne charakteryzują się niską wydajnością i kosztem produkcji. Ich prędkość obrotowa jest wysoka, ale ich moment obrotowy jest niski. Kiedy są stosowane w urządzeniach wymagających dużego momentu obrotowego, często są one związane z mechaniczną przekładnią redukcyjną .

Ich prędkość obrotową można łatwo regulować za pomocą niedrogich układów elektronicznych.

Silniki synchroniczne  :

Silnik synchroniczny jest zwykle używany jako generator lub „alternator”. Ten silnik jest często trójfazowy.
Jego prędkość obrotowa jest proporcjonalna do częstotliwości przepływających przez niego prądów. Ten typ silnika może być użyty do podniesienia współczynnika mocy instalacji.

Silniki synchroniczne można również powiązać z falownikami prądu, co umożliwia sterowanie momentem obrotowym silnika przy niskim prądzie.

Silniki asynchroniczne  :

W przeciwieństwie do silnika synchronicznego prędkość obrotowa silnika asynchronicznego niekoniecznie jest zsynchronizowana z częstotliwością przepływających przez niego prądów.

Przez długi czas konkurował z nim silnik synchroniczny w zastosowaniach dużej mocy, aż do pojawienia się energoelektroniki . Obecnie występuje w wielu zastosowaniach, takich jak transport (metro, pociągi, napęd statków), przemysł (obrabiarki), sprzęt gospodarstwa domowego itp. Początkowo był używany tylko jako silnik, ale dzięki elektronice mocy jest coraz częściej używany jako generator. (Na przykład w turbinach wiatrowych).

W zastosowaniach o dużej mocy, powyżej 6 kilowatów, silniki asynchroniczne są zawsze zasilane z trójfazowych źródeł prądu.

Silnik krok po kroku:

Cechą charakterystyczną silników krokowych jest to, że mogą kontrolować ruch kątowy i położenie wału silnika.

Proste silniki krokowe mają ograniczoną liczbę pozycji. Istnieją również silniki krokowe ze sterowaniem proporcjonalnym (zmienne podawanie cewek), które może być niezwykle precyzyjne.
Silniki te są sterowane elektroniką cyfrową i stanowią jedną z najbardziej elastycznych form systemów pozycjonowania.

Generatory

Generator elektryczny jest urządzeniem do wytwarzania energii elektrycznej z innej formy energii.
Istnieją trzy główne typy generatorów wykorzystujących zjawisko magnetyzmu do konwersji energii:

- Maszyna dynamoelektryczna - Alternator - Generator asynchroniczny

• Maszyna dynamoelektryczna:

Prądnica jest obrotowe urządzenie, które generuje prąd stały. Ta maszyna jest odwracalna i może działać zarówno jako generator, jak i silnik. Oznacza to, że podczas zatrzymywania dynamo musi być odłączone od obciążenia, jeśli to ostatnie może zapewnić mu w zamian prąd.

Właściwość ta była wykorzystywana w małych samochodach w latach siedemdziesiątych XX wieku: układ przekaźników łączy akumulator w celu doprowadzenia prądu do dynastaru w celu uruchomienia silnika spalinowego, po czym dynastar automatycznie przełącza się na dynamo, gdy silnik spalinowy osiągnie określoną prędkość.

• Alternator:

Alternatora jest obrotowe urządzenie, które przetwarza energię mechaniczną dostarczaną do wirnika pod prąd energii elektrycznej. Alternator wytwarza przemienne napięcie o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości obrotowej wirnika. Te generatory są tańsze i mają lepszą wydajność niż dynama (sprawność zbliżona do 95% w porównaniu z 85% w przypadku dynama).

Zastosowania alternatorów są bardzo szerokie. Wykorzystywane są do produkcji energii elektrycznej przemysłowej (elektrownie jądrowe, elektrownie hydrauliczne, turbiny wiatrowe itp.), Również do zastosowań domowych (agregaty prądotwórcze), ale także w systemach pokładowych (ciężarówki, samochody, rowery itp.). ).

• Generator asynchroniczny:

W asynchronicznej maszyny , w warunkach działania hypersynchronous (większą częstotliwość synchronizacji częstotliwości obrotowej) również zapewnia zasilanie dla sieci prądu przemiennego, do której są podłączone.

Ich wadą jest brak możliwości regulacji napięcia w przeciwieństwie do maszyn synchronicznych, które mogą zapewnić stabilność sieci elektrycznych . Jednak są one coraz częściej wykorzystywane jako generatory w zastosowaniach o małej i średniej mocy, takich jak turbiny wiatrowe i mikrotamy, dzięki niedawnemu postępowi w energoelektronice .
Jedną z aplikacji jest maszyna asynchroniczna z podwójnym zasilaniem.

Uwagi i odniesienia

1. (w) Alisa Davis, „  WPC zwiększa moc, poprawia doznania użytkowników dzięki nowej specyfikacji standardu zasilania bezprzewodowego Qi  ” , PISCATAWAY, NJ, 23 czerwca 2015 r. ,2015
2. „  Dlaczego nie drut? The case for wireless power  ” , na www.wirelesspowerconsortium.com (dostęp: 14 kwietnia 2016 )
3. Jean-Pierre Nozières, "  Czytanie głowice magnetyczne i wspomnienia  ", Reflets de la ciała , n o  18,marzec 2010
5. Abdelhamid ELAISSARI, „  Ferrofluidy i cząstki magnetyczne do zastosowań biomedycznych  ”, Techniki inżynieryjne ,10 września 2015
6. „  ThyssenKrupp Transrapid GmbH  ” , na www.transrapid.de (dostęp 14 kwietnia 2016 )
7. Lise Loumé Inteligentne buty zapobiegające urazom
8. Claude Fermon i Myriam Pannetier-Lecœur, Elektronika Spin i czujniki magnetyczne
9. Denis Stremplewski i François Mortier, czujniki GMR konkurują z efektem Halla
10. Czujniki w oprzyrządowaniu przemysłowym, Georges Asch et al. Edycja Dunod
11. „  Superconductivity in all its states  ” , na www.supraconductivite.fr (dostęp: 14 kwietnia 2016 )

Zobacz też

Linki zewnętrzne

1. Pamięć magnetyczna z zapisem prądem spolaryzowanym w spinie wspomaganym termicznie , Materia skondensowana [cond-mat], University of Grenoble, 2010, Jeremy Alvarez-Herault.
2. Ultra mały dysk twardy do zastosowań mobilnych , Toshiba Corporation, Akihiko Takeo, Kazuhito Shimomura, Jun Itoh.
3. Elementy elektryczne, elektroniczne i modelarskie dla kolei
4. Przekaźnik: zasada działania
5. Teoria przekaźników elektromagnetycznych
6. Teoria: przekaźnik