Efecto Néel - Néel effect

En el superparamagnetismo (una forma de magnetismo ), el efecto Néel aparece cuando un material superparamagnético en una bobina conductora está sujeto a diferentes frecuencias de campos magnéticos . La no linealidad del material superparamagnético actúa como un mezclador de frecuencia , con voltaje medido en los terminales de la bobina. Consta de varios componentes de frecuencia, en la frecuencia inicial y en las frecuencias de ciertas combinaciones lineales. El desplazamiento de frecuencia del campo a medir permite la detección de un campo de corriente continua con una bobina estándar.

Magnetización de material superparamagnético

Historia

En 1949, el físico francés Louis Néel (1904-2000) descubrió que cuando se dividen finamente, las nanopartículas ferromagnéticas pierden su histéresis por debajo de cierto tamaño; este fenómeno se conoce como superparamagnetismo. La magnetización de estos materiales está sujeta al campo aplicado, que es altamente no lineal.

Esta curva está bien descrita por la función de Langevin , pero para campos débiles se puede escribir simplemente como:

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

donde es la susceptibilidad en el campo cero y se conoce como coeficiente de Néel. El coeficiente de Néel refleja la no linealidad de materiales superparamagnéticos en campos bajos. ${\ Displaystyle \ chi _ {0}}$${\ Displaystyle N_ {e}}$

Teoría

Ilustración del efecto Néel

Si una bobina de espiras con una superficie por la que pasa una corriente de excitación se sumerge en un campo magnético colineal con el eje de la bobina, se deposita un material superparamagnético dentro de la bobina. ${\ Displaystyle N}$${\ Displaystyle S}$${\ Displaystyle I _ {\ text {exc}}}$${\ Displaystyle H_ {ext}}$

La fuerza electromotriz a los terminales de un devanado de la bobina , viene dada por la fórmula: ${\ Displaystyle e}$

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

donde es la inducción magnética dada por la ecuación: ${\ Displaystyle B}$

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

En ausencia de material magnético,

${\ Displaystyle M = 0}$

y

${\ Displaystyle B = \ mu _ {0} \ mu _ {r} (H_ {ext} + H _ {\ text {exc}})}$.

Diferenciando esta expresión, la frecuencia del voltaje es la misma que la corriente de excitación o el campo magnético . ${\ Displaystyle i _ {\ text {exc}}}$${\ Displaystyle H_ {ext}}$

En presencia de material superparamagnético, ignorando los términos superiores de la expansión de Taylor, obtenemos para B:

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

Una nueva derivación del primer término de la ecuación proporciona componentes de voltaje de frecuencia de la corriente de excitación o del campo magnético . ${\ Displaystyle \ mu _ {0} \ mu _ {r} (1+ \ chi _ {0}) (H_ {ext} + H _ {\ text {exc}})}$${\ Displaystyle i _ {\ text {exc}}}$${\ Displaystyle H_ {ext}}$

El desarrollo del segundo término multiplica los componentes de frecuencia en los que las frecuencias intermodulares inician componentes y generan sus combinaciones lineales. La no linealidad del material superparamagnético actúa como un mezclador de frecuencia. ${\ Displaystyle (H_ {ext} + H _ {\ text {exc}}) ^ {3} = H_ {ext} ^ {3} + 3H_ {ext} ^ {2} H _ {\ text {exc}} + 3H_ {ext} H _ {\ text {exc}} ^ {2} + H _ {\ text {exc}} ^ {3}}$

Llamando al campo magnético total dentro de la bobina en la abscisa , integrando la bobina de inducción anterior a lo largo de la abscisa entre 0 y y diferenciando con respecto a, se obtiene: ${\ Displaystyle H (l)}$${\ Displaystyle L_ {p}}$${\ Displaystyle t}$

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

con ${\ Displaystyle I _ {\ text {exc}} (t) = I _ {\ text {exc}} \ cos (w _ {\ text {exc}} t)}$

Representación espectral de la apariencia de EMF debido al efecto Néel alrededor de una portadora de alta frecuencia

Los términos convencionales de autoinducción y efecto Rogowski se encuentran en ambas frecuencias originales. El tercer término se debe al efecto Néel; informa de la intermodulación entre la corriente de excitación y el campo externo.

Cuando la corriente de excitación es sinusoidal , el efecto es Néel caracterizado por la aparición de un segundo armónico que lleva el campo de flujo de información:

${\ Displaystyle u (t) = LI _ {\ text {exc}} w _ {\ text {exc}} \ cos (w _ {\ text {exc}} t) + F_ {Rog} {\ frac {d} {dt }} \ left [\ int _ {0} ^ {Lp} H_ {ext} (l) dl \ right] + F _ {\ text {Neel}} \ left [\ int _ {0} ^ {Lp} H_ { ext} (l) dl \ right] {\ frac {I _ {\ text {exc}} ^ {2}} {2}} w _ {\ text {exc}} \ sin (2w _ {\ text {exc}} t )}$

Aplicaciones

Diseño del sensor de corriente de efecto Néel

Una aplicación importante del efecto Néel es como sensor de corriente , midiendo el campo magnético irradiado por un conductor con corriente; este es el principio de los sensores de corriente de efecto Néel. El efecto Néel permite la medición precisa de corrientes con sensores del tipo de muy baja frecuencia en un transformador de corriente sin contacto.

El transductor de un sensor de corriente de efecto Néel consta de una bobina con un núcleo de nanopartículas superparamagnéticas. La bobina es atravesada por una excitación de corriente:

${\ Displaystyle i _ {\ text {exc}} (t)}$.

En presencia de un campo magnético externo a medir:

${\ Displaystyle H_ {ext} (t)}$

el transductor transpone (con el efecto Néel) la información a medir, H (f) alrededor de una frecuencia portadora , el armónico de la corriente de excitación de orden 2 2:

${\ displaystyle f _ {\ text {exc}}}$

que es más simple. La fuerza electromotriz generada por la bobina es proporcional al campo magnético a medir:

${\ Displaystyle H_ {ext} (t)}$

y al cuadrado de la corriente de excitación:

${\ Displaystyle fem (t) = F _ {\ text {Neel}} i _ {\ text {exc}} ^ {2} (t) H (t)}$

Para mejorar el rendimiento de la medición (como la linealidad y la sensibilidad a la temperatura y la vibración), el sensor incluye una segunda reacción de devanado permanente contra él para cancelar el segundo armónico. La relación de la reacción actual contra la corriente primaria es proporcional al número de vueltas contra la reacción:

${\ Displaystyle I_ {cr} = I_ {p} / N_ {cr}}$.

Referencias

Ver también

• Superparamagnetismo
• Louis Néel