เครื่องวัดสนามแม่เหล็กแบบตัวอย่างสั่น

Q: ส่วนประกอบต่างๆ ของการตั้งค่า VSM ทั่วไป

แผนผัง VSM แบบง่าย แม่เหล็กไฟฟ้า/แหล่งจ่ายไฟแบบระบายความร้อนด้วยแอคทีฟ เครื่องขยายเสียง แชสซีควบคุม เมตร อินเทอร์เฟซคอมพิวเตอร์ คอยล์เซ็นเซอร์ เครื่องกระตุ้นการสั่นสะเทือนพร้อมที่ยึดตัวอย่าง หัววัดฮอลล์ (อุปกรณ์เสริม)

เครื่องวัดสนามแม่เหล็กแบบสั่น (VSM) (เรียกอีกอย่างว่าเครื่องวัดสนามแม่เหล็ก Foner ^{[ 1 ]} /เครื่องวัดสนามแม่เหล็กแบบสั่น) เป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ใช้วัดคุณสมบัติทางแม่เหล็กโดยอาศัยกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ Simon Foner ที่ห้องปฏิบัติการ MIT Lincolnได้คิดค้น VSM ขึ้นในปี 1955 และรายงานในปี 1959 ^{[ 2 ]}นอกจากนี้ยังมีการกล่าวถึงโดย GW Van Oosterhout ^{[ 3 ]}และโดย PJ Flanders ในปี 1956 ^{[ 4 ]}ขั้นแรกจะวางตัวอย่างไว้ในสนามแม่เหล็กคงที่ และหากตัวอย่างเป็นแม่เหล็ก มันจะปรับทิศทางการเหนี่ยวนำแม่เหล็กให้สอดคล้องกับสนามภายนอกโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กของตัวอย่างจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไปตามเวลาเมื่อตัวอย่างเคลื่อนที่ขึ้นและลง โดยทั่วไปจะทำได้โดยใช้ วัสดุ เพียโซอิเล็กทริก สนามแม่เหล็กสลับจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้าในขดลวดรับสัญญาณของ VSM ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}กระแสไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับค่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของตัวอย่าง - ยิ่งกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำมากเท่าใด ค่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ส่งผลให้โดยทั่วไปแล้วจะสามารถบันทึกเส้นโค้งฮิสเทอรีซิส ได้ ^{[ 7 ]}และจากนั้นจึงสามารถอนุมานคุณสมบัติทางแม่เหล็กของตัวอย่างได้

แนวคิดของตัวอย่างที่สั่นมาจากเครื่องวัดสนามแม่เหล็กขดลวดสั่น ของ DO Smith ^{[ 8 ]}

ภาพรวม VSM ทั่วไป

หลักการทำงาน

การวัดสนามแม่เหล็กด้วยตัวอย่างสั่น (Vibrating Sample Magnetometry) อาศัยหลักการทางฟิสิกส์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้ากล่าวคือ ตัวอย่างที่มีโมเมนต์แม่เหล็ก $\mu$ วางอยู่ในสนามแม่เหล็ก สม่ำเสมอ $\mathbf {B}$ ตัวอย่างถูกทำให้สั่นในสนามด้วยตำแหน่งที่กำหนด $z(t)$ ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในฟลักซ์แม่เหล็ก

$\Phi =\int _{A}\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} =\mu _{0}\int _{A}\mathbf {\mu } \cdot d\mathbf {A}$

ในขดลวดตรวจจับที่มีพื้นที่หน้าตัด $\mathbf {A}$ , $\mu _{0}$ คือค่าสภาพซึมผ่านของสุญญากาศตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

$U_{\mathrm {ind} }={\frac {d\Phi }{dt}}={\frac {dz}{dt}}{\frac {d\Phi }{dz}}$ .

ปัจจัยแรก ${\frac {dz}{dt}}$ ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์โดยตรงและผู้ทำการทดลองจึงทราบค่านี้ ปัจจัยที่สองเป็นสัดส่วนกับ $\mu$ ปัจจัยสัดส่วนจะถูกกำหนดผ่านการปรับเทียบการตั้งค่า

เพราะ $U_{\mathrm {ind} }\propto \mu$ โดยปัจจัยอื่นๆ ทั้งหมดจะถูกกำหนดจากอุปกรณ์หรือผ่านการสอบเทียบ การวัดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะให้ค่าโมเมนต์แม่เหล็กของตัวอย่างโดยตรง^{[ 5 ]}

ส่วนประกอบต่างๆ ของการตั้งค่า VSM ทั่วไป

แม่เหล็กไฟฟ้า/แหล่งจ่ายไฟแบบระบายความร้อนด้วยแอคทีฟ
เครื่องขยายเสียง
แชสซีควบคุม
เมตร
อินเทอร์เฟซคอมพิวเตอร์
คอยล์เซ็นเซอร์
เครื่องกระตุ้นการสั่นสะเทือนพร้อมที่ยึดตัวอย่าง
หัววัดฮอลล์ (อุปกรณ์เสริม)

ตัวอย่างขั้นตอนการปฏิบัติงาน

แหล่งที่มา: ^{[ 6 ]}

การติดตั้งตัวอย่างลงในที่ยึดตัวอย่าง
การเปิดใช้งานระบบ VSM
เรียกใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์เพื่อเริ่มต้นระบบ
ปรับเทียบระบบ
ปรับระบบให้เหมาะสมสำหรับM ^{[ 6 ]}
ปรับเทียบเครื่องขยายสัญญาณแบบล็อคอิน
ทำการวัดและบันทึกข้อมูล

เงื่อนไขที่ทำให้ VSM มีประสิทธิภาพ

สนามแม่เหล็กต้องมีความแรงมากพอที่จะทำให้ตัวอย่างอิ่มตัวอย่างสมบูรณ์ (มิเช่นนั้นจะได้ค่าการวัดที่ไม่ถูกต้อง)
สนามแม่เหล็กต้องสม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นที่ตัวอย่าง (มิฉะนั้น การเพิ่มการไล่ระดับสนาม^{[ 7 ]}^{[ 9 ]}จะเหนี่ยวนำแรงที่เปลี่ยนแปลงการสั่นสะเทือนอีกครั้ง ส่งผลให้ได้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง)

ความสำคัญของคอยล์รับสัญญาณ

สิ่งเหล่านี้ช่วยให้ VSM สามารถเพิ่มสัญญาณเหนี่ยวนำให้สูงสุด ลดเสียงรบกวน ให้จุดอานม้า ที่กว้าง ลดปริมาตรระหว่างตัวอย่างและแม่เหล็กไฟฟ้า ให้น้อยที่สุด เพื่อให้ได้สนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอมากขึ้นในพื้นที่ตัวอย่าง^{[ 7 ]}การกำหนดค่าของขดลวดอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุที่กำลังศึกษา^{[ 7 ]}

ความสัมพันธ์กับฟิสิกส์

VSM อาศัยกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์โดยการตรวจจับ emf ทำได้โดยใช้สูตร $\varepsilon =N{d \over dt}(BAcos\vartheta )$ [ ⁹^]โดยที่Nคือจำนวนรอบของลวด^Aคือพื้นที่ และ $\vartheta$ มุมระหว่างระนาบปกติของขดลวดและสนาม B อย่างไรก็ตามNและAมักไม่จำเป็นหาก VSM ได้รับการสอบเทียบอย่างถูกต้อง^{[ 9 ]}โดยการเปลี่ยนแปลงความแรงของแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ สนามภายนอกจะถูกกวาดจากสูงไปต่ำและกลับไปสูงอีกครั้ง^{[ 9 ]}โดยทั่วไปแล้วกระบวนการนี้จะดำเนินการโดยอัตโนมัติผ่านกระบวนการคอมพิวเตอร์และพิมพ์ข้อมูลเป็นรอบออกมา แม่เหล็กไฟฟ้ามักจะติดอยู่กับฐานหมุน^{[ 9 ]}เพื่อให้สามารถทำการวัดเป็นฟังก์ชันของมุมได้ สนามภายนอกจะถูกใช้ขนานกับความยาวของตัวอย่าง^{[ 9 ]}และรอบดังกล่าวจะพิมพ์ลูปฮิสเทอรีซิส ออกมา จากนั้นใช้ค่าการแม่เหล็กที่ทราบของวัสดุสอบเทียบและปริมาตรของลวด สัญญาณแรงดันสนามสูงสามารถแปลงเป็น หน่วย emuได้ ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการวิเคราะห์^{[ 9 ]}

ข้อดีและข้อเสีย

ความแม่นยำและความถูกต้องของ VSM นั้นค่อนข้างสูง แม้เมื่อเทียบกับเครื่องวัดสนามแม่เหล็ก ชนิดอื่นๆ และอาจอยู่ในระดับ ~ $\displaystyle 10^{-6}$ emu. ^{[ 7 ]} VSM ยังช่วยให้สามารถทดสอบตัวอย่างที่มุมต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการทำให้เป็นแม่เหล็ก ทำให้ผู้วิจัยสามารถลดผลกระทบจากอิทธิพลภายนอกได้^{[ 10 ]}อย่างไรก็ตาม VSM ไม่เหมาะสำหรับการกำหนดวงจรการทำให้เป็นแม่เหล็กเนื่องจากผลกระทบจากการลดอำนาจแม่เหล็กที่เกิดขึ้นกับตัวอย่าง^{[ 10 ]}นอกจากนี้ VSM ยังได้รับผลกระทบจากการพึ่งพาอุณหภูมิและไม่สามารถใช้กับตัวอย่างที่เปราะบางซึ่งไม่สามารถเร่งความเร็วได้ (จากการสั่นสะเทือน) ^{[ 7 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

ดูเพิ่มเติม

อ่านเพิ่มเติม

Dodrill, Brad; Lindemuth, Jeffrey R. (2021), "การวัดสนามแม่เหล็กด้วยตัวอย่างแบบสั่น"ใน Franco, Victorino; Dodrill, Brad (บรรณาธิการ), เทคนิคการวัดสนามแม่เหล็กสำหรับลักษณะเฉพาะของวัสดุ , Springer International Publishing, หน้า15–37 , doi : 10.1007/978-3-030-70443-8_2 , ISBN 978-3-030-70442-1

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 8 ]