Магнитное поле. Направление тока и направление линий его магнитного поля слово магнит (22 слайда)
Слайд 1
Тема урока: Магнитное поле. Направление тока и направление линий его магнитного поля Слово МАГНИТ (от греческого. magnetis eitos произошло от названия города Магнессии , теперь это город Маниса в Турции). «камень Геркулеса». «любящий камень», «мудрое железо», и «царственный камень». Минерал, состоящий из: FeO(31%) и Fe2O3 (69%).
Слайд 2
О чем говорит отклонение магнитной стрелки при замыкании электрической цепи?
Вокруг проводника с током существует магнитное поле, на него реагирует магнитная стрелка.
Источником магнитного поля являются движущиеся электрические заряды или токи и полосовой магнит, дугообразный магнит.
Когда изменяется направление электрического тока, изменяется направление магнитных линий.
Слайд 3
Как можно обнаружить магнитное поле?
а) с помощью железных опилок. Попадая в магнитное поле, железные опилки намагничиваются и располагаются вдоль магнитных линий.
.
б) по действию на проводник с током. Попадая в магнитное поле, проводник с током начинает двигаться, т.к. со стороны МП на него действует сила .
Слайд 4
Графическое изображение магнитного поля тока
Линии вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называются линиями магнитного поля.
Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые кривые, охватывающие проводник
Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитных линей магнитного поля.
Слайд 5
Вектор магнитной индукции — векторная величина, характеризующая магнитное поле.
За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.
Слайд 6
Свойства магнитных линий.
Если магнитные линии искривлены и расположены с неодинаковой густотой, то магнитное поле – является неоднородным.
Слайд 7
Что нужно знать о магнитных линиях?
1.Магнитные линии – замкнутые кривые, поэтому МП называют вихревым. Это означает, что в природе не существует магнитных зарядов. 2.Чем гуще расположены магнитные линии, тем МП сильнее.
3.Если магнитные линии расположены параллельно друг другу с одинаковой густотой, то такое МП называют однородным.
4. Если магнитные линии искривлены – это значит, что сила, действующая на магнитную стрелку в разных точках МП, разная. Такое МП называют неоднородным.
Слайд 8
Магнитное поле катушки и постоянного магнита
Катушка с током, как и магнитная стрелка имеет 2 полюса – северный и южный.
Магнитное действие катушки тем сильнее, чем больше витков в ней.
При увеличении силы тока магнитное поле катушки усиливается.
Слайд 9
4. Магнитная стрелка, помещенная в некоторую точку магнитного поля, ориентируется так, как показано на рисунке.
Как направлена магнитная линия в этой точке?
А. вниз
Б. вверх
В. вправо
Г. влево
5. На рисунке указано положение магнитных линий поля, созданного полюсами постоянных магнитов. Определите направление этих линий.
А. вниз
Б. вверх
В. от нас
Г. на нас
Слайд 10
Правило буравчика
(Правило правого винта)
Если острие буравчика (сверла) направить по направлению тока, то направление вращения рукоятки укажет направление магнитных линий.
Правило правой руки
Большой палец правой руки мы должны направить по направлению тока в проводнике. Тогда, условно обхватывая остальными четырьмя пальцами данный проводник, направление обхвата укажет направление магнитных линий.
Слайд 11
Правило правой руки для соленоида
Если мы 4 пальца направим по току и отогнем большой палец, то его направление укажет на северный полюс соленоида или направление линий магнитного поля внутри соленоида.
Слайд 12
6. На рисунке представлены магнитные линии поля. В какой точке этого поля магнитная индукция максимальна?
А. в первой
Б. во второй
В. в третьей
Г. в четвёртой
7. На каком рисунке правильно изображена картина линий магнитного поля длинного проводника с постоянным током, направленным перпендикулярно плоскости чертежа на нас?
А.
Б.
В.
Г.
Слайд 13
Домашнее задание:
Слайд 14
Влияние магнитных полей на организм человека и животных.
Все живые организмы, в том числе и человек, рождаются и развиваются в естественных условиях планеты Земля, которая создает вокруг себя постоянное магнитное поле — магнитосферу.
Это поле играет очень существенную роль для всех биохимических процессов в организме. Основа лечебного эффекта магнитного поля — улучшение кровообращения и состояния кровеносных сосудов.
Слайд 15
Повторим
Чем создается магнитное поле? Как его можно обнаружить?
Магнитная стрелка, поднесенная к проводнику, отклонилась. О чём это свидетельствует?
С помощью чего можно наглядно показать магнитное поле?
Как с помощью магнитных линий определить, в каком месте величина поля больше?
Какое направление имеют магнитные линии?
Какое направление имеют магнитные линии внутри полосового магнита?
Слайд 16
Самостоятельная работа
К магнитной стрелке, которая может поворачиваться вокруг вертикальной оси, перпендикулярной плоскости чертежа, поднесли постоянный магнит.
При этом стрелка
А. Повернется на 180°
Б. Повернется на 90° по часовой стрелке
В. Повернется на 90° против часовой стрелки
Г. Останется в прежнем положении
N
S
Слайд 17
Самостоятельная работа
2.
Что следует сделать, чтобы стержень из закалённой стали намагнитился, т.е. сам стал постоянным магнитом?
А. Поднести к заряженному телу
Б. Поместить в воду
В. Поместить в сильное магнитное поле
Г. Натереть шерстью
Слайд 18
Самостоятельная работа
1 2
N
S
Слайд 19
Самостоятельная работа
4. Магнитное поле существует
А. Только вокруг движущихся электронов
Б. Только вокруг движущихся положительных ионов
В. Только вокруг движущихся отрицательных ионов
Г. Вокруг всех движущихся заряженных частиц
Слайд 20
Самостоятельная работа
5. Магнитная стрелка, поднесенная к проводнику, отклонилась.
Это свидетельствует
А. О существовании вокруг проводника электрического поля
Б. О существовании вокруг проводника магнитного поля
В. Об изменении в проводнике силы тока
Г. Об изменении в проводнике направления тока
Слайд 21
Самостоятельная работа
6. На рисунке указано положение магнитных линий поля, созданного полюсами постоянного магнита. Определите направление этих линий.
А. Вверх
Б. Вниз
В. На нас
Г. От нас
S
N
Слайд 22
Самостоятельная работа
7. На рисунке изображено неоднородное магнитное поле витка с током. Найдите пару точек, в которых сила действия поля на магнитную стрелку одинакова как по модулю, так и по направлению.
А. A и D
Б. A и C
В. C и D
Г. A и B
Презентация по физике на тему Магнитное поле. доклад, проект
Магнитное поле и его графическое изображение. Неоднородное и однородное магнитное поле
Слово «магнит» произошло от названия города Магнессии (теперь это город Маниса в Турции).
«камень Геркулеса». «любящий камень», «мудрое железо», и «царственный камень»
Магнит обладает на разных участках различной притягивающей силой, на полюсах эта сила наиболее заметна.
Магнитное поле -это особый вид материи, который создается вокруг магнитов движущимися заряженными частицами, как положительными, так и отрицательными.
Графическое изображение магнитного поля тока
Линии вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называются линиями магнитного поля.
Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые кривые, охватывающие проводник
Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитных линей магнитного поля.
Расположение металлических опилок вокруг прямолинейного проводника с током.
В тех областях пространства, где магнитное поле более сильное, магнитные линии изображают ближе друг к другу, т. е. гуще, чем в тех местах, где поле слабее.
Неоднородное магнитное поле
Характеристика неоднородного магнитного поля:
магнитные линии искривлены;
густота магнитных линий различна;
сила, с которой магнитное поле действует на магнитную стрелку, различна в разных точках этого поля по величине и направлению.
Однородное магнитное поле
Характеристика однородного магнитного поля:
магнитные линии параллельные прямые;
густота магнитных линий везде одинакова;
сила, с которой магнитное поле действует на магнитную стрелку, одинакова во всех точках этого поля по величине и направлению.
На рисунке показана картина магнитных линий прямого тока. В какой точке магнитное поле самое сильное?
а) б) в)
Направление тока и направление линий
его магнитного поля
Опыт Эрстеда
Когда изменяется направление электрического тока, изменяется направление магнитных линий.
Правило буравчика
Если острие буравчика (сверла) направить по направлению тока, то направление вращения рукоятки укажет направление магнитных линий.
(Правило правого винта)
Правило правой руки
Большой палец правой руки мы должны направить по направлению тока в проводнике. Тогда, условно обхватывая остальными четырьмя пальцами данный проводник, направление обхвата укажет направление магнитных линий.
Правило правой руки для соленоида
Соленоид (от греческих слов «трубка» и «образный») — это катушка цилиндрической формы из проволоки, витки которой намотаны вплотную друг к другу в одном направлении, а длина катушки значительно больше радиуса витка.
Если мы 4 пальца направим по току и отогнем большой палец, то его направление укажет на северный полюс соленоида или направление линий магнитного поля внутри соленоида.
Повторим
Чем создается магнитное поле? Как его можно обнаружить?
Магнитная стрелка, поднесенная к проводнику, отклонилась. О чём это свидетельствует?
С помощью чего можно наглядно показать магнитное поле?
Как с помощью магнитных линий определить, в каком месте величина поля больше?
Какое направление имеют магнитные линии?
Какое направление имеют магнитные линии внутри полосового магнита?
Самостоятельная работа
К магнитной стрелке, которая может поворачиваться вокруг вертикальной оси, перпендикулярной плоскости чертежа, поднесли постоянный магнит.
При этом стрелка
А. Повернется на 180°
Б. Повернется на 90° по часовой стрелке
В. Повернется на 90° против часовой стрелки
Г. Останется в прежнем положении
N
S
Самостоятельная работа
2. Что следует сделать, чтобы стержень из закалённой стали намагнитился, т.е. сам стал постоянным магнитом?
А. Поднести к заряженному телу
Б. Поместить в воду
В. Поместить в сильное магнитное поле
Г. Натереть шерстью
Самостоятельная работа
3. Стальную иглу расположили между полюсами магнита. Через некоторое время игла намагнитилась. Каким полюсам будут соответствовать точки 1 и 2?
А. 1 – северному полюсу, 2 – южному
Б. 2 – северному полюсу, 1 – южному
В. 1 и 2 – северному полюсу
Г. 1 и 2 – южному полюсу
N
S
1 2
Самостоятельная работа
4.
Магнитное поле существует
А. Только вокруг движущихся электронов
Б. Только вокруг движущихся положительных ионов
В. Только вокруг движущихся отрицательных ионов
Г. Вокруг всех движущихся заряженных частиц
Самостоятельная работа
5. Магнитная стрелка, поднесенная к проводнику, отклонилась. Это свидетельствует
А. О существовании вокруг проводника электрического поля
Б. О существовании вокруг проводника магнитного поля
В. Об изменении в проводнике силы тока
Г. Об изменении в проводнике направления тока
Самостоятельная работа
6. На рисунке указано положение магнитных линий поля, созданного полюсами постоянного магнита. Определите направление этих линий.
А. Вверх
Б. Вниз
В. На нас
Г. От нас
S
N
Самостоятельная работа
7.
На рисунке изображено неоднородное магнитное поле витка с током. Найдите пару точек, в которых сила действия поля на магнитную стрелку одинакова как по модулю, так и по направлению.
А. A и D
Б. A и C
В. C и D
Г. A и B
cтавим опыты с магнитами / Своими руками (DIY) / iXBT Live
Вы можете увидеть магнитное поле? Нет? А оно есть. И чтобы его увидеть, не обязательно покупать дорогие приборы. Достаточно взять небольшой кусочек специальной магнитной плёнки. Что я и сделал.
Для визуализации магнитного поля она вполне подходит. И, например, как небольшое наглядное пособие, или для опытов, ее может быть достаточно. Собственно, для этого и была заказана эта плёнка. Показать детям несколько опытов.
Естественно, это не замена приборам для измерения магнитного поля. Это просто занятная штука.
Что из себя представляет магнитная плёнка-визуализатор?
Магнитная плёнка-визуализатор используется, чтобы показать стационарные, или (реже) медленно меняющиеся магнитные поля; она показывает их месторасположение и направление.
Представляет собой тонкие, полупрозрачные, гибкие листы, покрытые микроячейками, которые заполнены частичками никеля в масле. Когда силовые линии параллельны поверхности листа, частички никеля поворачиваются отражающей свет стороной и выглядят светлыми. Когда силовые линии перпендикулярны поверхности листа, частички позиционируются ребром и плёнка выглядит значительно темнее. Когда плёнка расположена на полюсе магнита, силовые линии, выходящие из этого полюса, проходят через плёнку практически перпендикулярно её поверхности, поэтому в этом месте она тёмная.
Если два кубических магнита размещены рядом друг с другом, полюсами вверх и вниз, и ориентированы так, чтобы притягивать друг друга, их полюса выглядят тёмными, но видно тонкую светлую линию между ними.
Чаще всего магнитная плёнка-визуализатор изготавливается зелёного или голубого цвета. (взято из Википедии)
Плёнка представляет собой небольшой квадрат, запаянный в ламинированную плёнку:
Чаще всего на Aliexpress такие плёнки продают в размере 5*5см.
Именно такой размер и пришел ко мне:
Ничего хитрого в этой плёнке нет. Поэтому сразу перейду к опытам.
Сначала покажу как она реагирует на неодимовые магниты, взятые из старых жестких дисков. У меня их три разных:
Первый магнит:
Второй магнит:
Третий магнит:
А вот так выглядят все три магнита слепленные вместе:
На плёнке чётко виден ореол магнитного поля вокруг магнита (светлый) и затухающий ореол магнитного поля (тёмный) на расстоянии. По середине у всех магнитов судя по моему предположению находится линия разделения магнитного поля. (могу ошибаться, кто разбирается, прошу дополнить в комментариях)
Уже из этих фотографий понятно, что плёнка работает и показывает магнитное поле. Но с сильными магнитами это и понятно. А вот что действительно интересно, так это обнаружение скрытых магнитов там, где их не видно. И самым наглядным примером будет обычный телефон, который есть почти у каждого.
Вот, например OnePlus Nord N100. Корпус ровный.
Ничего не выделяется:
Подносим плёнку, и видим, что под корпусом находится источник магнитного поля (динамик, скрытый внутри):
Еще один источник магнитного поля — это слуховой динамик в верхней стороне телефона:
А еще один источник был найден спереди, в районе блока камер (это уже не динамик, не знаю что это):
Следующий пример — это смартфон Samsung Galaxy S10+:
С помощью плёнки можно увидеть, что динамик телефона состоит из двух частей (или из двух динамиков):
А вот так отображается слуховой динамик, если приложить плёнку спереди и сзади:
Ну а вот так выглядит динамики на рациях Retevis RT3S и Xiaomi Walkie Talkie 1S:
А вот наушники AKG дают легкое изменение и маленькую полоску, хотя в них тоже есть магниты:
Ну и то же самое у беспроводных наушников Fiil T1 Pro:
Хотя магнит на зарядном кейсе сразу даёт чёткий рисунок:
Конечно же я вместе с детьми несколько вечеров ходил по всему дому, и прикладывал плёнку к разным местам, в поисках магнитного излучения.
Детям это очень понравилось, а значит плёнка уже куплена не зря. Насколько мне лично хватает знаний, я попытался рассказать им о магнитах и магнитных полях. Дополнительно подкрепили знания с помощью серии Фиксики о магнитах:
Заключение:
Я считаю, что покупка магнитной плёнки визуализатора является полезной. Особенно если в доме есть дети. Показать им наглядно действия магнитов. Ну и чего скрывать, мне самому было интересно пощупать такую занятную плёнку. Тем более стоит она недорого. Жаль только, что размер 5*5см, конечно, маловат. Хотелось бы размер побольше. Но, с другой стороны, это вещь. Которая со временем будет закинут в ящик стола, и не будет использоваться. Поэтому и такой размер сгодится.
Купить магнитную плёнку-визуализатор
Рекомендовать или отговаривать от покупки этой плёнки я не буду. Тут решайте сами.
Ну и, если читателям будет интересно, и в комментах будет достаточно запросов, я могу сделать вторую часть обзора, где уже будут только фотографии различных вещей, и как и что на них показывает данная плёнка.
Пишите пожелания.
1
Первый слайд презентации
Направление тока и направление линий его магнитного поля
Изображение слайда
2
Слайд 2
Опыт Эрстеда Когда изменяется направление электрического тока, изменяется направление магнитных линий.
Изображение слайда
3
Слайд 3
Правило буравчика
Если острие буравчика (сверла) направить по направлению тока, то направление вращения рукоятки укажет направление магнитных линий.
(Правило правого винта)
Правило правой руки
Большой палец правой руки мы должны направить по направлению тока в проводнике. Тогда, условно обхватывая остальными четырьмя пальцами данный проводник, направление обхвата укажет направление магнитных линий.
Изображение слайда
4
Слайд 4
Правило правой руки для соленоида Соленоид (от греческих слов «трубка» и «образный») — это катушка цилиндрической формы из проволоки, витки которой намотаны вплотную друг к другу в одном направлении, а длина катушки значительно больше радиуса витка. Если мы 4 пальца направим по току и отогнем большой палец, то его направление укажет на северный полюс соленоида или направление линий магнитного поля внутри соленоида.
Изображение слайда
5
Слайд 5: Повторим
Чем создается магнитное поле? Как его можно обнаружить?
Магнитная стрелка, поднесенная к проводнику, отклонилась.
О чём это свидетельствует?
С помощью чего можно наглядно показать магнитное поле?
Как с помощью магнитных линий определить, в каком месте величина поля больше?
Какое направление имеют магнитные линии?
Какое направление имеют магнитные линии внутри полосового магнита?
Изображение слайда
6
Слайд 6: Самостоятельная работа
К магнитной стрелке, которая может поворачиваться вокруг вертикальной оси, перпендикулярной плоскости чертежа, поднесли постоянный магнит. При этом стрелка А. Повернется на 180° Б. Повернется на 90° по часовой стрелке В. Повернется на 90° против часовой стрелки Г. Останется в прежнем положении N S
Изображение слайда
7
Слайд 7: Самостоятельная работа
2.
Что следует сделать, чтобы стержень из закалённой стали намагнитился, т.е. сам стал постоянным магнитом?
А. Поднести к заряженному телу
Б. Поместить в воду
В. Поместить в сильное магнитное поле
Г. Натереть шерстью
Изображение слайда
8
Слайд 8: Самостоятельная работа
3. Стальную иглу расположили между полюсами магнита. Через некоторое время игла намагнитилась. Каким полюсам будут соответствовать точки 1 и 2? А. 1 – северному полюсу, 2 – южному Б. 2 – северному полюсу, 1 – южному В. 1 и 2 – северному полюсу Г. 1 и 2 – южному полюсу N S 1 2
Изображение слайда
9
Слайд 9: Самостоятельная работа
4. Магнитное поле существует
А. Только вокруг движущихся электронов
Б.
Только вокруг движущихся положительных ионов
В. Только вокруг движущихся отрицательных ионов
Г. Вокруг всех движущихся заряженных частиц
Изображение слайда
10
Слайд 10: Самостоятельная работа
5. Магнитная стрелка, поднесенная к проводнику, отклонилась. Это свидетельствует А. О существовании вокруг проводника электрического поля Б. О существовании вокруг проводника магнитного поля В. Об изменении в проводнике силы тока Г. Об изменении в проводнике направления тока
Изображение слайда
11
Слайд 11: Самостоятельная работа
6. На рисунке указано положение магнитных линий поля, созданного полюсами постоянного магнита. Определите направление этих линий.
А. Вверх
Б. Вниз
В. На нас
Г. От нас
S
N
Изображение слайда
12
Слайд 12: Самостоятельная работа
7. На рисунке изображено неоднородное магнитное поле витка с током. Найдите пару точек, в которых сила действия поля на магнитную стрелку одинакова как по модулю, так и по направлению. А. A и D Б. A и C В. C и D Г. A и B
Изображение слайда
13
Слайд 13
Домашнее задание: Изучить п.20
Изображение слайда
14
Последний слайд презентации: Направление тока и направление линий его магнитного поля
Спасибо за внимание!
Изображение слайда
Контрольная работа «Электромагнитное поле»
Контрольная работа «Электромагнитное поле»
1 вариант
Задание 1 (1 балл) | С помощью чего можно наглядно показать магнитное поле? | |
Задание 2 (1 балл) | На рисунке изображен проводник и направление магнитной линии. | |
Задание 3 (1 балл) | Определите направление силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле. | |
Задание 4 (1 балл) | В однородном магнитном поле находится рамка, по которой течет ток в указанном на рисунке направлении. Как направлена сила, действующая на нижнюю сторону рамки? | |
Задание 5 (1 балл) | В однородное магнитное поле влетает отрицательно заряженная частица. Определите направление действующей на неё силы | |
Задание 6 (2 балла) | Как изменится период собственных электромагнитных колебаний в контуре, если ключ перевести из положения 1 в положение 2? | |
Определите направление тока.Задание 7 (2 балла)
Установите соответствие между научными открытиями и учеными, которым эти открытия принадлежат.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.
НАУЧНЫЕ ОТКРЫТИЯ А) создал теорию электромагнитного поля Б) зарегистрировал электромагнитные волны В) выдвинул гипотезу о квантах | УЧЕНЫЕ
|
Ответ:
Приведите полное решение задач:
Задание 8 (2 балла)
Чему равна длина волны радиостанции, работающей на частоте 1,5 МГц?
Задание 9 (2 балла)
Абсолютный показатель преломления алмаза 2,42. Какова скорость света в алмазе?
Задание 10 (2 балла)
Определите энергию магнитного поля катушки, в котором при силе тока 20 А индуктивность равна 0,2 Гн.
Задание 11 (3 балла)
Определите силу тока в проводнике с активной длиной 10 см, находящемся в магнитном поле с индукцией 1 Тл, если на него действует сила 1,5 Н.
Проводник расположен перпендикулярно линиям индукции магнитного поля.
Контрольная работа «Электромагнитное поле»
2 вариант
Задание 1 (1 балл) | Магнитная стрелка, поднесенная к проводнику, отклонилась. О чем это свидетельствует? | |
Задание 2 (1 балл) | На рисунке изображен проводник, соединенный с источником тока и магнитная линия. Определите её направление | |
Задание 3 (1 балл) | Укажите направление силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле. | |
Задание 4 (1 балл) | В однородное магнитное поле влетает положительно заряженная частица. | |
Задание 5 (1 балл) | В однородном магнитном поле находится рамка, по которой течет ток в указанном на рисунке направлении. Как направлена сила, действующая на правую сторону рамки? | |
Задание 6 (2 балла) | Как изменится период собственных электромагнитных колебаний в контуре, если ключ перевести из положения 1 в положение 2? | |
Определите направление действующей на неё силыЗадание 7 (2 балла)
Установите соответствие между особенностями электромагнитных волн и их диапазонами. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.
ОСОБЕННОСТИ ВОЛН А) волны с максимальной частотой Б) волны, используемые в телевидении и сотовой связи В) волны, вызывающие пигментацию кожи | ДИАПАЗОН
|
Ответ:
Приведите полное решение задач:
Задание 8 (2 балла)
Электростанция вырабатывает переменный ток частотой 60 Гц. Вычисли период колебаний этого тока.
Задание 9 (2 балла)
Абсолютный показатель преломления воды 1,33. Какова скорость света в воде?
Задание 10 (2 балла)
Определите энергию магнитного поля катушки, в котором при силе тока 10 А индуктивность равна 0,02 Гн.
Задание 11 (3 балла)
Определите силу, с которой магнитное поле индукцией 1,3 Тл действует на проводник, если активная длина проводника 20 см, а сила тока в нем 10 А. Проводник расположен перпендикулярно линиям индукции магнитного поля.
Магнитное поле и его графическое изображение
В восьмом классе мы с вами затрагивали тему магнитных полей.
Тогда мы говорили о том, что магнитное поле порождается электрическим током.
Подобно другим физическим полям, магнитное поле не действует на наши органы
чувств. Но реальность его существования проявляется, например, в том, что между
проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые принято называть магнитными
силами.
То, что между электричеством и магнетизмом существует связь, можно показать с помощью опыта, проведённого в тысяча восемьсот двадцатом году датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом. Установка состоит из магнитной стрелки, укреплённой на острие, и проводника, соединённого с источником тока. До включения тока стрелка располагается в магнитном поле Земли, ориентируясь с севера на юг. Проводник располагают над магнитной стрелкой, параллельно ей. Замкнув цепь, мы увидим, как магнитная стрелка начнёт поворачиваться, пока не установится перпендикулярно проводнику с током. Разомкнём цепь — стрелка возвращается в своё исходное положение.
Если изменить направление тока в проводнике на противоположное, то стрелка также поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику, но уже в противоположном направлении.
Таким образом, можно говорить о том, что магнитная стрелка
взаимодействует с проводником с током. Следовательно, вокруг проводника с током
существует магнитное поле, которое и совершает работу по повороту магнитной
стрелки.
На основании подобных многочисленных опытов было установлено, что во всех случаях при движении заряженных частиц обязательно появляется магнитное поле, независимо от рода проводника или среды, в которой эти частицы движутся.
А теперь давайте вспомним, как объясняется наличие магнитного поля у постоянных магнитов. Итак, согласно гипотезе великого французского физика Андре Мари Ампера, внутри каждой молекулы вещества, подобного железу или его сплавам, циркулируют кольцевые электрические токи.
И если эти элементарные токи ориентированы одинаково, то вокруг них существуют магнитные поля, которые также будут иметь одинаковое направление. В результате эти поля усиливают друг друга, создавая поле внутри и вокруг магнита. Гипотеза Ампера была очень прогрессивна для начала девятнадцатого века, поскольку ещё не было известно ни о строении атома, ни о движении заряженных частиц — электронов вокруг ядра.
Существование магнитного поля вокруг магнита можно обнаружить
множеством способов.
На практике удобнее использовать мелкие железные опилки,
насыпанные на картонный или пластиковый экран.
Изучим магнитное поле прямого проводника с током. Для этого сквозь лист картона пропустим проводник, соединённый с источником тока. Насыплем на картон тонкий слой железных опилок. При включении тока железные опилки под действием магнитного поля переориентируются, показывая картину линий магнитного поля.
Несколько изменим опыт: вместо металлических опилок поставим на лист картона магнитные стрелки. При замыкании электрической цепи стрелки расположатся вдоль линий магнитного поля. Если же изменить направление тока в проводнике, то все стрелки повернутся на 180о.
Наш опыт позволяет наглядно показать так называемые
силовые линии магнитного поля (или просто магнитные линии). В восьмом
классе мы говорили о том, что магнитные линии — это воображаемые линии,
вдоль которых расположились бы магнитные стрелки, помещённые в магнитное поле.
Исходя из результатов опыта, мы можем утверждать, что линии магнитного поля имеют определённое направление, которое связано с направлением тока в проводнике. В настоящее время принято считать, что направление линий магнитного поля в каждой точке совпадает с направлением, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещённый в эту точку поля.
Магнитную линию можно провести через любую точку пространства, в которой существует магнитное поле. При этом надо помнить, что она проводится так, чтобы в любой точке этой линии касательная к ней совпала с осью магнитной стрелки, помещённой в эту точку.
Теперь давайте вспомним, как выглядят линии магнитного поля постоянного полосового магнита. Для этого расположим маленькие магнитные стрелки вокруг магнита. Они мгновенно придут в движение и расположатся в строго определённом порядке.
Из курса физики восьмого класса вы уже знаете, что магнитные
линии полосового магнита выходят из его северного полюса и входят в южный.
При
этом они не имеют ни начала ни конца: они либо замкнуты, либо уходят на
бесконечность, в чём легко убедиться с помощью железных опилок.
Не трудно заметить, что опилки располагаются в виде цепочек, причём с разной плотностью вокруг магнита. Это говорит о том, что действия, которые оказывает магнит на опилки, в разных точках поля различны. Наиболее сильно это действие проявляется возле полюсов магнита. А чем дальше от полюсов, тем слабее подобное действие, следовательно, тем слабее магнитное поле.
Такое магнитное поле в физике называют неоднородным. Его магнитные линии искривлены, а густота меняется от точки к точке.
Примером неоднородного магнитного поля служит и поле прямого проводника с током.
На рисунке вы видите схематические изображения двух участков таких проводников.
Давайте вспомним, что кружочек в центре обозначает сечение
проводника, крестик — что ток направлен от нас за чертёж, а точка — что ток
направлен наоборот, из-за чертежа к нам.
Эти обозначения именуют правилом стрелы. Точка
обозначает острие, летящей в нашу сторону стрелы, а крестик её хвостовое
оперение, которое можно было бы увидеть, если бы стрела улетела от нас.
Обратите внимание на то, что магнитные линии прямого тока представляют собой концентрические окружности, центром которых является сам проводник с током. В тех областях пространства, где магнитное поле сильнее, магнитные линии изображаются ближе друг к другу (то есть гуще), и наоборот.
Таким образом, по картине магнитных линий можно судить не только о направлении магнитного поля, но и о его величине.
Что касается однородного магнитного поля, то его есть смысл рассматривать только в некотором приближении. Дело в том, что однородное магнитное поле — это поле, в каждой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению.
Поскольку линии магнитного поля всегда искривлены, то об
однородности поля и говорят только приблизительно. Примером однородного
магнитного поля может служить поле внутри полосового магнита вблизи его
середины.
Ещё одним примером практически однородного поля является поле, возникающее внутри соленоида, если длина соленоида намного больше его диаметра. Однако вне катушки с током, поле неоднородно и его магнитные линии располагаются примерно также, как и у полосового магнита.
Также видно, что магнитные линии однородного магнитного поля параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой.
Рассмотрим ещё один опыт. Расположим магнитные стрелки вокруг проводника с током, имеющего форму витка. Замкнув цепь увидим, что стрелки в магнитном поле расположились вдоль линий магнитного поля, но ориентированы они по-разному. Объясняется это тем, что в левой части установки ток «выходит» из листа, а в правой — «входит» в него.
Исходя из результата этого опыта, говорить о том, что линии магнитного поля имеют определённое направление, которое связано с направлением тока в проводнике.
Эта связь может быть выражена с помощью правила буравчика
(или правила правого винта).
Он заключается в следующем: если вращать ручку
буравчика так, чтобы его остриё двигалось по направлению тока в проводнике, то
направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля
тока.
Направление линий магнитного поля можно определить и иначе, например, с помощью правила правой руки: если обхватить проводник с током ладонью правой руки так, чтобы отставленный большой палец был сонаправлен с током, то согнутые четыре пальца укажут направление линий магнитного поля.
Похожее правило применимо и для определения направления магнитного поля внутри соленоида: если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы согнутые четыре пальца указывали направление тока в витках, то отставленный на девяносто градусов большой палец, укажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.
И последнее, на что хотелось бы обратить ваше внимание. Для
изображения однородного магнитного поля, перпендикулярного плоскости чертежа,
пользуются таким приёмом.
Если линии магнитного поля направлены от нас за
чертёж, то их изображают крестиками.
А если из-за чертежа к нам — то точками. Как и в случае с током, крестик — это как бы видимое нами оперение стрелы, летящей от нас, а точка — это остриё стрелы, летящей к нам.
Визуализация линий магнитного поля — задание
(0 оценок)Нажмите здесь, чтобы оценить
Quick Look
Уровень: 12 (10-12)
Необходимое время: 15 минут
Расходные материалы Стоимость/группа: 2,00 долл. США
(Стоимость включает ленту, бумагу, минеральное масло и железные опилки.)
Размер группы: 3
Зависимость от деятельности:
Грандиозный вызов
предметных областей: Физика
Поделиться:
TE Информационный бюллетень
Резюме
Студенты продвигают концепцию etch-a-sketch на шаг дальше.
Используя железные опилки, они начинают визуализировать силовые линии магнитного поля. Для этого они используют компас, чтобы определить направление магнитного поля магнита. Затем, вращая опилки вокруг магнита, они наблюдают за поведением железных опилок вблизи магнита. Наконец, студенты изучают поведение железных опилок, взвешенных в минеральном масле, которое отображает магнитное поле в трех измерениях.Инженерное подключение
Аппараты МРТ создают очень сильные магнитные поля, которыми необходимо тщательно управлять, чтобы защитить персонал и пациентов от чрезмерной поляризации, поскольку протоны в их телах выравниваются с полярным полем. У пациентов также могут быть имплантаты или посторонние предметы, которые могут взаимодействовать с магнитным полем. Вопросы 4 и 5 для оценки после активности сосредоточены на последствиях магнитного поля столь же сильного, как магнитно-резонансная томография, а вопрос 6 посвящен этим последствиям в отношении инородных тел.
Цели обучения
После этого задания учащиеся должны уметь:
- Опишите силу и направление магнитного поля вокруг постоянного магнита.
- Предсказать и нарисовать силовые линии магнитного поля.
Образовательные стандарты
Каждый урок или занятие TeachEngineering соотносится с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.
Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).
В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естествознание или математика;
внутри типа по подтипу, затем по классу, и т.
д. .
Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – технология
- Медицинские технологии включают в себя профилактику и реабилитацию, вакцины и фармацевтические препараты, медицинские и хирургические процедуры, генную инженерию и системы, в рамках которых обеспечивается защита и поддержание здоровья.
(Оценки
9-
12) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
- Оцените, как сходства и различия между научными, математическими, инженерными и технологическими знаниями и навыками способствовали разработке продукта или системы.
(Оценки
9 —
12) ПодробнееПосмотреть согласованную учебную программу
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
(Оценки
9 —
12) ПодробнееГОСТ
Предложите выравнивание, не указанное вышеКакое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?
Подписывайся
Подпишитесь на нашу рассылку новостей, чтобы получать внутреннюю информацию обо всем, что связано с TeachEngineering, например, о новых функциях сайта, обновлениях учебных программ, выпусках видео и многом другом!
PS: Мы никому не передаем личную информацию и электронные письма.
Список материалов
Каждой группе нужно:
- компас
- Магнит NdFeB с резиновым покрытием
- держатель бумаги для железных опилок
- 1 чайная ложка железных опилок
- прозрачная бутылка подготовленного минерального масла*
- 1 лист бумаги, 8,5 x 11 дюймов (20,32 x 27,94 см)
- малярная лента
* Снимите этикетки с прозрачной пластиковой бутылки минерального масла. Нарежьте ~1 чайную ложку мелкозернистой стальной ваты на мелкие кусочки. Поместите осколки стальной ваты в бутылку и накройте крышкой. После встряхивания бутылка отображает магнитные поля в трех измерениях.
Больше учебных программ, подобных этому
Урок средней школы
Изменение полей
Учащиеся индуцируют ЭДС в катушке провода с помощью магнитных полей.
Учащиеся рассматривают векторное произведение по отношению к магнитной силе и знакомят с магнитным потоком, законом индукции Фарадея, законом Ленца, вихревыми токами, ЭДС движения и ЭДС индукции.
Изменение полей
Урок средней школы
Да пребудет с вами магнитная сила
После демонстрации отклонения электронного луча учащиеся повторяют свои знания о перекрестном произведении и правиле правой руки с примерами задач. Учащиеся применяют эти понятия, чтобы понять магнитную силу на проводе с током. Через связанную деятельность студенты продвигают…
Да прибудет с вами магнетическая сила
Урок средней школы
Магнитные поля имеют значение
Студенты знакомятся с эффектами магнитных полей в материи, обращаясь к постоянным магнитам, диамагнетизму, парамагнетизму, ферромагнетизму и намагничиванию.
Магнитные поля имеют значение
Урок средней школы
Закон Био-Савара
Начиная с демонстрации в классе, учащимся предлагается подумать о том, как ток создает магнитное поле, и о направлении создаваемого поля. На лекции студенты изучают закон Био-Савара (и решают несколько типовых задач), чтобы наиболее просто рассчитать магнитное поле, создаваемое в …
Закон Био-Савара
Введение/Мотивация
Чтобы решить серьезную проблему безопасности МРТ (представленную в соответствующем разделе), нам необходимо понять свойства магнитных полей.
Хотя большинство вводных задач, связанных с магнетизмом, начинаются с однородного поля, единственное приблизительно однородное магнитное поле, с которым вы сталкиваетесь в лаборатории, — это магнитное поле Земли.
Магнитные поля постоянных магнитов имеют очень интересные формы и направления. В этом упражнении вы будете использовать различные методы, чтобы визуализировать форму магнитного поля вокруг различных постоянных магнитов.
Процедура
Перед занятием
Соберите материалы и подготовьте бутылки с минеральным маслом.
Со студентами
- Представьте классу содержание введения/мотивации.
- Разделите класс на группы по два-четыре ученика в каждой. Раздайте материалы.
- Предложите учащимся выполнить следующие этапы эксперимента.
- Прикрепите магнит к бумаге сбоку и поместите компас где-нибудь на бумаге. Компас указывает направление магнитного поля. Сделайте стрелку на бумаге, чтобы отметить направление. Переместите компас в новое положение и повторите. Продолжайте, пока не отметите направление поля на большей части бумаги. Предупреждение : Не подносите компас слишком близко к магниту и не прикасайтесь к магниту, поскольку это может привести к перенамагничиванию компаса и указанию его в неправильном направлении.
- Теперь снимите магнит со страницы, поместите железные опилки в контейнер для бумаги и поместите магнит под контейнером. Наблюдайте, как железные опилки выстраиваются вдоль поля. Держите магнит в разных ориентациях и наблюдайте за результатами.
- Встряхните бутылку минерального масла и поднесите к ней магнит. Обратите внимание, как подвешенные опилки выстраиваются вдоль поля. Меняйте ориентацию магнита, чтобы наблюдать за разными точками поля.
- В заключение проведите оценивание после занятия, в ходе которого учащийся индивидуально пишет ответы на шесть вопросов, как описано в разделе «Оценка».
Оценка
Оценка после активности
Ведение дневника : В конце занятия попросите учащихся индивидуально написать ответы на следующие вопросы. Просмотрите их ответы, чтобы оценить глубину их понимания.
- Что напоминает вам карта магнитного поля, которую вы создали с помощью компаса?
- Как выглядят железные опилки по отношению к нарисованному вами магнитному полю?
- Чем отличаются подвешенные железные опилки от железных опилок на бумаге?
- Где магнитное поле кажется самым сильным?
- Как это задание может помочь нам понять гораздо больший магнит МРТ?
- Какие типы вещей будут безопасны в более сильном магнитном поле и что будет небезопасно в более сильном поле?
Авторские права
© 2013 Регенты Университета Колорадо; оригинал © 2006 Университет ВандербильтаАвторы
Эрик АппельтПрограмма поддержки
Программа VU Bioengineering RET, Инженерная школа, Университет ВандербильтаБлагодарности
Содержание этой учебной программы цифровой библиотеки было разработано в рамках гранта Национального научного фонда RET №.
0338092 и 0742871. Однако это содержание не обязательно отражает политику NSF, и вы не должны исходить из того, что оно одобрено федеральным правительством.
Последнее изменение: 16 июня 2017 г.
Визуализация магнитных полей
Визуализация магнитных полейЭксперименты с магнитами и наши окрестности
Визуализация магнитных полей
Как визуализировать магнитное поле?
Сначала это кажется невыполнимой задачей, так как вы не можете увидеть магнитные поля. Однако есть несколько способов сделать это.
1. Проще всего взять компас и
это вокруг в магнитном поле. Направление, которое указывает компас
касательной к кривой линии магнитного поля в любом месте. Хороший
Инструментом для этого, используя небольшой стержневой магнит вместо компаса, является следующее.
получил от Arbor Scientific.
2. Следующим по популярности методом является размещение магнита (или электромагнит) под лист бумаги или легкого картона. Ты тогда насыпьте на бумагу железные опилки, постучите пару раз по бумаге и наблюдайте, как маленькие опилки выстраиваются вдоль линий поля. Вы могли бы распылить очистите шаблон Krylon, удерживая его на месте. Также возможно получить луженые железные опилки. Эти не заржавеют. Или возьмите пластик коробку с железными опилками и поместите магнит под коробка. Они прочерчивают линии поля. Вариант этого использовать черный песок, который представляет собой просто очень мелкие частицы магнетита. Другой вариант, не такой грязный, — использовать продукт, также от Arbor. Научная, называемая Таинственной Магнитная трубка, чтобы увидеть железные опилки, окружающие магнит посередине. Железные опилки остаются внутри цилиндр. На рынке есть несколько других вариантов этого, в том числе с железными опилками, взвешенными в масле.
3.
Другой способ — взять степлер и сделать пучок.
скоб и использовать их как большие железные опилки. Насыпать их на кусок
бумаги, как вы делаете с документами, или пусть они висят на магните
сам. Вариантом этого является использование BB, чтобы сделать то же самое.
4. Самый точный метод – использование программного пакета. который рассчитает поле в пространстве вокруг магнита или электромагнита и начертите линии поля или отобразите заштрихованные области, соответствующие силе поле.
Корпорация Ансофт имел отличный программный пакет, который мог моделировать поля и силы окружающие постоянные магниты и электромагниты. Следующие диаграммы показать результаты некоторых симуляций, созданных с помощью Ansoft Maxwell 2D Field Программа симулятор. (Maxwell является зарегистрированной торговой маркой). свяжитесь со мной для получения бесплатная копия этой студенческой версии этой программы!!!
Вот базовое руководство пользователя в формате pdf, которое я создал, чтобы помочь вам использовать
эта студенческая версия.
(около 825кБ)
Установить Adobe
Reader, чтобы иметь возможность читать этот файл.
Катушки Гельмгольца или сборка
Сборка Гельмгольца на самом деле является определенной конфигурацией две катушки. Каждая катушка имеет одинаковый радиус. Кроме того, катушки размещены параллельно друг другу. Расстояние между витками такое же, как радиус каждой катушки. Что делает эту сборку особенной, так это то, что если каждая катушка имеют одинаковый ток, протекающий друг через друга (при последовательном соединении) и направление тока то же самое, магнитное поле в центре двух катушек меняется очень мало, когда вы перемещаетесь по центральной линии от одной катушка к другому. Это способ создать объем с довольно постоянным магнитное поле во всем этом объеме пространства.
Здесь показано поперечное сечение двух катушек и поле, которое они
Создайте. Верхняя правая точка и нижняя правая точка — одна катушка,
верхняя левая точка и нижняя левая точка — другая катушка.
Текущие входы
каждая катушка внизу и выходит вверху. Расстояние между
линии поля в средней части довольно однородны, а это означает, что поле
сила очень постоянна в этой области. Вы можете легко сделать что-то вроде
это и проверить напряженность поля в середине, когда вы меняете расстояние между
катушки и варьировать положение датчика напряженности поля.
С этим можно сделать больше. Если внутрь поместить магнит центр узла Гельмгольца и повернутый на пол-оборота, отклик будет сказать вам магнитный момент. Хорошая ссылка на это здесь.
Есть несколько замечательных статей, описывающих, как построить
сверхчувствительный магнитометр с использованием такой сборки, особенно для отслеживания
изменения магнитного поля Земли из-за магнитных бурь на Солнце.
Выезд:
http://www.netdenizen.com/emagnet/
для получения подробной информации о расчете поля в сборке катушки Гельмгольца
Массив Хальбаха
Массив Хальбаха представляет собой уникальное расположение
постоянные магниты, используемые для достижения достаточно однородного магнитного поля в пределах
объем пространства, аналогичный идее сборки катушек Гельмгольца.
Это также может быть расположение постоянных магнитов, используемых для достижения более сильного
поле с одной стороны, чем с другой, часто встречается в коллекторах черных металлов.
Сравните следующее.
Диаграмма слева предназначена для ссылка. Стрелка внутри магнита указывает на северный полюс магнита. магнит, так как это направление, в котором течет магнитное поле внутри магнит. Диаграмма справа показывает, как будет выглядеть магнитное поле. как.
На схеме слева показано расположение из пяти постоянных магнитов. На диаграмме справа показано поле, которое эта договоренность создаст. Обратите внимание, что поле намного сильнее на вверху сборки, чем внизу?
На схеме слева показано расположение
из восьми постоянных магнитов в восьмиугольнике. На схеме справа показано
поле, которое создаст это расположение. Обратите внимание, как однородно поле
находится внутри сборки (все силовые линии расположены примерно на одинаковом расстоянии друг от друга).
друг от друга) и насколько слабо поле вне сборки.
Для получения дополнительной информации посетите такие сайты, как эти:
Магниты, рынки и магические цилиндры , по Майкл Коуи и Денис Вейр
Образец векторной вибрации на основе постоянного магнита Магнитометр , J.M.D. Коуи, Дэвид Херли и Фарид Бенгрид
Проект электрической машины со встроенной маховик , Колотти Альберто и Райхерт Конрад
Могу ли я сделать один большой северный полюс?
Другими словами, могу ли я сделать монополь? Как имя подразумевает, что монополь — это магнит, имеющий только один полюс — либо северный, либо Южный полюс. Неважно какой, но самое интересное, что у него только один. Эквивалентом в электрическом мире будет электрон или протон — частица, имеющая только один заряд (отрицательный для электрон, положительный для протона).
Я решил попробовать это с помощью Maxwell,
бесплатная студенческая версия, которую вы можете использовать, чтобы попробовать интересные эксперименты с магнитами
и электромагниты.
Идея состояла в том, чтобы сделать что-то вроде склеивания
магнитов на поверхность мяча (например, мяча для гольфа или бейсбола) в
таким образом, чтобы северный полюс каждого магнита был обращен наружу. Сюда,
у вас был бы один шар, полностью покрытый магнитами. Со всеми
Северные полюса обращены в сторону от поверхности шара, у меня был бы монополь,
Правильно? Почему это так сложно?
Я сконструировал клиновидный магнит, намагниченный
с его северным полюсом, обращенным вдоль его более широкой стороны, и его южным полюсом, обращенным внутрь.
вдоль его меньшей стороны. Внешняя сторона плоская, а внутреннюю я сделал
круглый (в любом случае не имеет никакого значения). Каждый по 45 градусов
круг, так что потребуется 8 из них, чтобы сделать полный круг. Все, что я должен
сделать, это поместить их в круг с некоторым расстоянием между ними, а затем начать
сжимая их все ближе и ближе друг к другу, пока между ними не останется места.
у них и у меня есть сплошной круг магнитов с севером снаружи и югом на
внутри.
ХОРОШО?
Смотрите это: Магниты в Движение 12 (затем нажмите кнопку «Назад» в браузере, чтобы вернуться здесь)
Что случилось? Пока между ними есть пространство
магниты, силовые линии вышли бы из внешней плоской поверхности магнита,
вокруг его сторон и введите магнит на южном конце. Как
магниты стали ближе, места для линий стало меньше. Что бы это
внешне выглядит так, что есть северные полюса, потому что именно там
шли поля, а между ними южные полюса, потому что именно там
поля возвращались между трещинами. Как только не было
пространства между магнитами совсем нет, поля исчезли! Как это может
быть? Он должен! Почему? Помните, что магнитное поле подобно
резинка. Он образует полный цикл. Он приходит с севера
полюсный конец магнита, делает петлю в воздухе или других предметах и возвращается
к южному полюсу магнита. Затем он будет проходить через магнит
на другой конец, где он может снова выскочить из магнита на северном полюсе —
вокруг да около. Они не пересекаются, они не заканчиваются где-то
или начать с чего-то.
Если он не может образовать петлю, он не может существовать. Насколько далеко
как всем известно, магнитные поля существуют только тогда, когда ток (электроны или протоны —
что-то с зарядом) движется. Если ток прекращается, поле затухает
ничего. Изменяющееся поле может создать ток, движущийся ток может
создать поле. Так работают генераторы и двигатели.
Вот еще одна анимация, показывающая часть предыдущего
один: Магниты в движении 13 (затем нажмите на
кнопку Назад вашего браузера, чтобы вернуться сюда)
Это показывает, что, насколько известно, монополии не существуют, кроме как в научной фантастике.
Начать видеть магнитные поля | Evil Mad Scientist Laboratories
Магнитные поля повсюду – их просто не видно*.
Здесь мы представляем некоторые основные и недорогие визуальные инструменты, такие разнообразные, как железные опилки и Arduino, игрушки для дошкольников и OpenGL, для знакомства с вашими местными областями.
Он не является исчерпывающим, но может дать вам некоторые полезные отправные точки для вашего собственного исследования.
(*Если не учитывать магнитное поле внутри тех фотонов, которые вы используете, чтобы видеть вещи.)
Один из самых простых и старых датчиков магнитного поля — скромный компас направления. Компас — это просто магнит с обозначенными северным и южным полюсами, удерживаемый в азимуте таким образом, чтобы он мог выровняться с окружающим магнитным полем. Обычно это земное (относительно слабое) магнитное поле. Но их также можно использовать для исследования структуры поля вокруг более сильных магнитов, поскольку они согласуются с суммарным полем в любом заданном месте.
Циркули легко сделать. Вы можете посмотреть здесь, чтобы узнать, как сделать простые версии, которые плавают на воде или вращаются на гладкой поверхности. Однако мы предпочли еще более простой метод, показанный здесь: поместите тонкую нить (или длинный волос) между двумя очень сильными магнитами и дайте ей свисать.
Если это слишком сложно — или вам нужно много — вы можете выбрать один мешок, полный простых компасов здесь.
Одним из недостатков компасов является то, что азимут обычно зависит от силы тяжести, а это означает, что они работают только в горизонтальной плоскости. В нашей версии со шнуром вы можете обойти это, поместив магниты рядом с серединой нити и крепко удерживая концы, чтобы получить компас, который работает в любой плоскости, которая вам нравится. Вы также можете получить отличный 3D-компас с подшипниками, позволяющими магниту указывать в любом направлении.
Если бы вы взяли сумку с простыми компасами, вы могли бы представить себе, как расположите их вокруг магнита, чтобы посмотреть, как они выстроятся. При этом вы обнаружите, что все стрелки очерчивают набор воображаемых кривых, называемых силовыми линиями магнитного поля . Силовые линии не более реальны, чем линии на топографической карте, но предоставляют полезный инструмент для визуализации концентрации и ориентации магнитного поля в регионе.
Учитывая естественный предел этой ситуации, почему бы не использовать миллионов (технический термин) крошечных компасов, чтобы посмотреть на поле?
Оказывается, можно очень близко подойти к этому, используя железные опилки. Теперь железные опилки не совсем обычный предмет домашнего обихода, но вы можете легко сделать или купить их. Если вы раздавите грубую стальную вату (и будьте осторожны, , если вы решите это сделать), вы можете сделать довольно хорошее приближение, или вы можете потратить несколько минут с напильником и куском мягкого железа, чтобы сделать настоящие опилки.
Магазины игрушек иногда продают крошечные пузырьки с железными опилками в научном отделе, так что иногда это тоже неплохое место для поиска. «Игрушечные» опилки, которые мы видели, часто очень грязные и выглядят как неровный порошок. Напротив, мы действительно впечатлены качеством этих железных опилок от Arbor Scientific, показанных выше, стоимостью менее шести долларов за фунт, которые имеют более крупный и достаточно хорошо подобранный размер зерна, а также низкое содержание пыли.
Здесь мы насыпали железные опилки на лист бумаги, покрывающий стопку мощных магнитов NdFeB. Вы можете увидеть некоторые намеки на структуру поля, но трудно что-либо разобрать.
Гораздо лучший подход — медленно и равномерно рассыпать опилки на бумагу с высоты в несколько дюймов, давая им возможность расположиться в поле. По мере того, как вы добавляете больше файлов, они иллюстрируют линии полей более четко, вплоть до определенного момента.
Так что же здесь происходит на самом деле? Это не компасы, свободно вращающиеся на подшипнике. На самом деле не все частицы железа изначально намагничены. В банке частицы не притягиваются друг к другу; они просто ощущаются как тяжелый песок.
Скорее частицы железа являются просто хорошими ферромагнетиками, которые проявляют сильную намагниченность при помещении в сильное внешнее магнитное поле.
(С микроскопической точки зрения, магнитные домены внутри железных опилок с самого начала выровнены случайным образом.
Они сильно выстраиваются при помещении во внешнее поле и сохраняют часть этой намагниченности
, когда внешнее поле удаляется.)
Когда частицы падают на бумагу, они внезапно становятся сильными маленькими стержневыми магнитами (благодаря внешнему полю) и делают все возможное, чтобы выровняться по ней — точно так же, как маленький циркуль. Частицы, которые приземляются достаточно близко к самому магниту, притягиваются прямо к нему. Те, кто дальше, притягиваются большим магнитом, но не имеют достаточного притяжения, чтобы двигаться к нему. Вместо этого они притягиваются друг к другу, с севера на юг, с севера на юг, с результатами, которые вы видите здесь.
Если вы присмотритесь, то заметите боковые полосы по центру магнита. Это потому, что мы используем не один стержневой магнит под бумагой, а вместо этого стопку кубиков с сильным магнитом, показанную на следующем фото.
Профессиональный совет по работе с железными опилками: не позволяйте опилкам напрямую касаться магнита.
Вы никогда их не снимете.
Эти куски оцинкованной железной проволоки представляют собой причудливую версию железных опилок. Они не содержат пыли, не ржавеют и их можно снять магнитом. Вы можете получить их здесь, но они стоят примерно в двадцать раз дороже, чем обычные железные опилки.
С другой стороны, они хорошо отображают поле.
Еще один интересный способ наблюдения за магнитными полями — это пленка для наблюдения за магнитными полями, наша пленка размером 9 x 7 дюймов от Arbor Scientific.
Этот материал похож на тонкий кусок полужесткого пластика с краской на обратной стороне. На практике он действует как лист зеленой воздушно-пузырчатой пленки с ультратонкими пузырьками, заполненными вязкой жидкостью. Внутри жидкости
есть блестящие, но микроскопические магнитные стержни. При наличии сильного поля стержни выравниваются по полю, как и в других наших примерах. Вблизи полюсов магнита пленка кажется темной, если смотреть на стержни с торца, а вдали от полюсов пленка кажется яркой, если смотреть на блестящие стороны стержней.
Поскольку жидкость вязкая, частицы не выравниваются, за исключением очень сильных магнитных полей, и имеют тенденцию оставаться на месте после удаления поля — поле Земли (половина гаусса или около того) далеко не достаточно сильно, чтобы воздействовать на него . Возможно, вы сможете увидеть завитки на фотографии выше, когда над поверхностью водили магнитом, чтобы «стирать» изображение.
Совет по использованию пленки для просмотра магнитного поля: не царапайте обратную сторону и не зажимайте ее между двумя магнитами — «пузыри» лопнут, и на пленке останутся мертвые зоны.
Вот как выглядит пленка на том же наборе магнитов, который мы использовали для железных опилок. Контраст замечательный. Хотя легко увидеть боковые полосы посередине между маленькими кубическими магнитами, почти невозможно увидеть общую форму магнитного поля, которое было обнаружено железными опилками. Единственным намеком на это является темная область у каждого полюса, соответствующая тому месту, где железные опилки также торчали из плоскости.
Опять же, это из-за вязкой природы материала; он может реагировать только на очень сильные локальные поля, подобные полям на полюсах.
Есть определенные места, где просмотр пленки действительно удобен – это места со сложной геометрией магнитных полюсов. Рассмотрим простой прорезиненный магнит на холодильник, который выглядит как визитная карточка, которую вы прикрепляете к холодильнику. Вместо того, чтобы использовать сильные магниты для поддержки веса, они используют более сложную геометрию поля с партиями полюсов, чтобы сконцентрировать поле прямо у поверхности магнита, как вы можете видеть выше.
Для справки, вот как тот же магнит выглядит под железными опилками:
Если магнитная пленка для просмотра кажется неясной и технической, есть недорогая альтернатива, которая на удивление распространена: Magna-Doodle или Doodle Pro, как их называют в наши дни. Вы, конечно, не получите от него такого же уровня производительности, но это интересная игрушка, если подойти к ней таким образом.
Впервые мы рассказали о Magna Doodle несколько лет назад в статье об использовании его в составе перьевого плоттера. Это похоже на магнитную пленку в том смысле, что в ней есть камеры с вязкой жидкостью и ферромагнитными частицами. Однако частицы и камеры в Magna Doodle макроскопические, и вы можете их увидеть. Таким образом, это нечто среднее между пленкой для просмотра магнитов и железными опилками.
Поместив нашу стопку магнитов на экран Magna Doodle и убрав ее, вы можете увидеть, как появляются силовые линии, и даже определить, какой набор находится «на краю» по расположению частиц железа. (Возможно, вы захотите просмотреть это последнее изображение в увеличенном размере, чтобы увидеть его в деталях.)
(Если у вас есть доступ к обратной стороне экрана Magna Doodle, вы также можете увидеть там кое-что интересное.)
Мы теперь идите в совершенно другом направлении: используя электронный компас для визуализации магнитных полей с помощью компьютера.
Крошечная печатная плата, показанная здесь, является коммутационной платой для 3-осевого магниторезистивного датчика Honeywell HMC5843 от
от SparkFun Electronics. (Если вам нужна эталонная шкала, вот она.)
(HMC5843 — чувствительное устройство, способное считывать поля силой до шести гаусс, что примерно в десять раз превышает магнитное поле Земли, но не подходит для измерений вблизи полюсов. магнитов. Это больше похоже на компас, чем на железную пилку.)
К этой плате и от нее имеется только четыре соединения: входное питание 3,3 В, заземление и два провода I2C. Чтобы поговорить с ним, мы используем плату Arduino (Duemilanove), которая обеспечивает 3,3 В (пониженное по сравнению с питанием USB 5 В), интерфейс I2C и интерфейс USB, чтобы мы могли передавать данные обратно на компьютер. На стороне компьютера мы используем эскиз обработки, чтобы считывать данные и отображать их на экране.
Вот коммутационная плата с четырьмя прикрепленными проводами.
В сторону: Почему гигантский конденсатор? На самом деле в этой версии коммутационной платы есть известная ошибка — не уверен, исправлена она уже или нет — она не считывала разумные числа с установленным по умолчанию конденсатором.
Параллельно я добавил *хм* немного больший конденсатор емкостью 1 микрофарад, который, похоже, отлично все исправил. Вы можете добавить меньший, но (а) этот немагнитный (б) он дает место для фактического удержания крошечной печатной платы и (в) он красный, поэтому SparkFun должен одобрить. Подходит к плате и все такое.
Припаяв датчик к плате Arduino четырьмя проводами, мы загрузили этот скетч Arduino на плату. Он основан на этой библиотеке hmc5843, которая вам понадобится для компиляции скетча. Что касается компьютера, мы написали этот скетч обработки, чтобы считывать и отображать данные.
Скетч Processing использует свои подпрограммы OpenGL для построения графика магнитного поля, считываемого датчиком. Во время каждого считывания — несколько раз в секунду — в трехмерном пространстве строится точка, представляющая напряженность поля, измеренная в направлениях X, Y и Z, показанная красной, зеленой и синей осями.
На этом графике датчик несколько раз поворачивается вокруг своей оси Y (откуда выходят шнуры) без особых перемещений.
В системе отсчета датчика поле Земли сохраняет постоянную величину, т. е. расстояние от начала координат, но меняет ориентацию.
Удерживая датчик неподвижно, вы просто получите одну точку в пространстве. Цвет медленно меняется во времени, чтобы показать историю. Чтобы сбросить график или посмотреть по разным осям, вы можете ввести «0», «1», «2» или «3» на клавиатуре, чтобы сбросить вид на xyz, вдоль x, вдоль y или вдоль z соответственно. .
В идеале, когда вы вращаете датчик во всех возможных направлениях, он будет очерчивать сферу с центром в начале координат, где радиус определяется окружающим магнитным полем. Что-то вроде того, что вы видите выше.
На практике обычно имеются магнитные смещения на самой микросхеме датчика или на коммутационной плате — например, эти многослойные керамические конденсаторы почти всегда являются магнитными. Таким образом, когда вы обводите сферу, вы обнаружите, что центр смещен от начала координат.
По этой причине эскиз обработки включает поправочные коэффициенты (смещения) x, y и z, которые можно использовать для центрирования сферы обратно в исходную точку.
Вы можете использовать эскиз для расчета надлежащих смещений. Если вы повернете датчик во все возможные положения, охватывая максимальную ориентацию вдоль +x, -x, +y, -y, +z и -z,
, то, когда вы завершите программу, щелкнув в окне, данные будут напечатаны. будет включать новые значения смещения, которые вы можете вставить обратно в эскиз, чтобы гарантировать, что данные будут достаточно точными при следующем запуске программы.
Итак, это отправная точка для изучения магнитных полей на компьютере, и она неплохо работает как 3D-компас, который можно строить в режиме реального времени.
Естественным следующим шагом будет построение графика величины поля в различных положениях в пространстве. Это просто, если вы добавите данные о том, где находится устройство, но отслеживание — это другая тема, о которой мы поговорим в другой раз.
Мы надеемся, что эта статья поможет вам начать играть с магнитными полями и увидеть их. Опять же, это не должно быть исчерпывающим, а просто предоставить несколько отправных точек для легкого исследования. Есть много других методов наблюдения и измерения магнитных полей — например, на ум приходят феррожидкости, но они могут дать меньше понимания геометрии поля, чем простые железные опилки.
Если вам понравилась эта статья, вы можете также прочитать и другие:
- 17 классных трюков с магнитами
- Как сделать простейший электродвигатель
- Изготовление оригинальных магнитов на холодильник
- Как извлечь магниты из пластиковых игрушек
- Демонстрация магнитогидродинамического движения за минуту
- Лак для ногтей с железной пилкой
- Аналоговый Plotbot на базе AVR с дисплеем E-Paper
- Сборка электродвигателя
- Выставка униполярных двигателей в Эксплораториуме
- Суперлегкий компас на супермагните
Эта запись была размещена в Проекты EMSL, Наука и помечена как наука.
Добавьте постоянную ссылку в закладки.
Магнитные поля
Магнетизм тесно связан с электричеством. По сути, магнетизм — это сила, вызванная движущимися зарядами. В случае постоянных магнитов движущиеся заряды представляют собой орбиты электронов, вращающихся вокруг ядер. Проще говоря, сильные постоянные магниты имеют много атомов с электронами, вращающимися в одном направлении. Немагнитные частицы имеют более случайное расположение электронов, вращающихся вокруг ядра. Для электромагнитов сам ток обеспечивает движущиеся заряды. Во всех случаях магнитные поля можно использовать для описания сил, вызванных магнитами.
Вопрос: Какой тип поля существует вблизи движущегося электрического заряда?
- электрическое поле, только
- магнитное поле, только
- как электрическое поле, так и магнитное поле
- ни электрическое поле, ни магнитное поле
Ответ: (3) Электрическое поле возникает из-за электрического заряда, а магнитное поле из-за движения заряда.
Магниты поляризованы, то есть каждый магнит имеет два противоположных конца. Тот конец магнита, который указывает на географический северный полюс Земли, называется северным полюсом магнита, а противоположный конец по понятным причинам называется южным полюсом магнита. У каждого магнита есть северный и южный полюса. Нет ни одиночных изолированных магнитных полюсов, ни монополей. Если вы разделите магнит пополам, каждая половина исходного магнита будет иметь как северный, так и южный полюса, что даст вам два магнита. Физики продолжают поиски как физически, так и теоретически, но на сегодняшний день никто никогда не наблюдал северный полюс без южного полюса или южный полюс без северного полюса.
Вы использовали линии электрического поля, чтобы визуализировать, что произойдет с положительным зарядом, помещенным в электрическое поле. Чтобы визуализировать магнитное поле, вы можете нарисовать линии магнитного поля (также известные как линии магнитного потока), которые показывают направление, в котором северный полюс магнита должен указывать, если его поместить в поле.
Линии магнитного поля рисуются в виде замкнутых петель, начинающихся с северного полюса магнита и продолжающихся до южного полюса магнита. Внутри самого магнита силовые линии проходят от южного полюса к северному. Магнитное поле является самым сильным в областях с наибольшей плотностью силовых линий магнитного поля или в областях с наибольшей плотностью магнитного потока. Сила магнитного поля (B) измеряется в единицах, известных как тесла (T).
Подобно электрическим зарядам, одинаковые полюса отталкивают друг друга, а противоположные полюса притягивают друг друга. Материалы можно разделить на магниты, притягивающие магниты (материалы, которые сами по себе не являются магнитами, но могут притягиваться магнитами) и непритягиваемые.
Вопрос: На приведенном ниже рисунке показаны силовые линии магнитного поля между двумя северными магнитными полюсами. В какой точке напряженность магнитного поля наибольшая?
Ответ: (B) имеет наибольшую напряженность магнитного поля, потому что он расположен в месте наибольшей плотности силовых линий магнитного поля.
Вопрос: На приведенной ниже схеме представлены стержневой магнит массой 0,5 кг и стержневой магнит массой 0,7 кг с расстоянием между их центрами 0,2 метра.
Какое утверждение лучше всего описывает силы между стержневыми магнитами?
- Гравитационная и магнитная силы отталкивают друг друга.
- Гравитационная сила отталкивает, а магнитная притягивает.
- Гравитационная сила притягивает, а магнитная сила отталкивает.
- Гравитационная и магнитная силы притягиваются.
Ответ: (3) Гравитация всегда притягивает, а северные полюса отталкиваются.
Вопрос: Учащемуся дают два куска железа и просят определить, являются ли один или оба куска магнитами. Сначала учащийся прикасается концом одной части к одному концу другой.
Ответ: По крайней мере один из кусков железа является магнитом, но мы не можем с уверенностью утверждать, что оба являются магнитами.
Вопрос: Начертите как минимум четыре силовые линии, чтобы показать величину и направление магнитного поля в области, окружающей стержневой магнит.
Ответ:
Вопрос: Когда два кольцевых магнита помещаются на карандаш, магнит А остается подвешенным над магнитом В, как показано справа. Какое утверждение описывает гравитационную и магнитную силы, действующие на магнит А из-за магнита В?
- Сила гравитации притягивает, а сила магнитного отталкивает.
- Гравитационная сила отталкивает, а магнитная притягивает.
- Сила гравитации и сила магнитного поля являются притягивающими.
- И гравитационная сила, и магнитная сила отталкивают.
Ответ: (1) Гравитация может только притягивать, а поскольку магнит А подвешен над магнитом В, магнитная сила должна быть отталкивающей.
Две железяки притягиваются. Затем учащийся переворачивает одну из частей и снова соединяет концы вместе. Две части снова притягиваются. Что студент определенно знает о первоначальных магнитных свойствах двух кусков железа?
Трехмерная визуализация микроволновых электрических и магнитных полей с использованием индикатора на основе метаповерхностей
Abstract
Визуализации микроволновых электрических и магнитных ближних полей радиочастотных (РЧ) фильтров выполнены с использованием метода термоупругой оптической индикаторной микроскопии (ТЭОИМ). Для визуализации электрического поля разработаны новые оптические индикаторы на основе периодических структур диэлектрик-металл.
В зависимости от направленности структуры такие индикаторы на основе метаповерхностей позволяют раздельно визуализировать E x и E y компоненты плоскостного электрического поля. Численное моделирование было проведено для изучения принципа работы разработанных индикаторных структур, и результаты были сравнены с экспериментальными, показывая хорошее совпадение. Кроме того, была построена 3D-визуализация распределения микроволнового ближнего поля, чтобы показать зависимости напряженности поля и распределения от расстояния до ВЧ-фильтра.
Введение
Микроволновые методы визуализации широко исследовались и использовались для нескольких приложений. Этот более широкий класс методов визуализации является многообещающим инструментом в биомедицинской диагностике 1,2 , дефектоскопии 3,4,5,6,7 , характеристике материалов 8,9,10 , разработке полупроводниковых устройств 11,12 ,13,14 и т.
д. В последние годы внимание к технологии микроволновой визуализации в медицинских приложениях значительно возросло из-за ее неинвазивной и неразрушающей диагностической способности. В этой области эти методики используются для визуализации злокачественных клеток на ранней стадии, опухолей молочной железы и тканей головного мозга 1,15,16 . За последние несколько десятилетий были разработаны различные технологии микроволнового изображения для наблюдения за структурой электромагнитного поля. Одним из привлекательных методов является сканирующий зондовый микроскоп, в котором зонд перемещается по поверхности образца, обнаруживая взаимодействие между образцом и радиочастотным (РЧ) полем 13,14,17,18 . Эти микроскопы могут достигать чрезвычайно высокого пространственного разрешения в диапазоне наноразмеров 19 . Недостатком сканирующих зондовых методов является медленная измеряемая производительность, а сложное экспериментальное оборудование ограничивает их практическое применение.
Другие существующие методы визуализации, основанные на поглотителе из метаматериала, обеспечивают малое время измерения с выдающимся высоким разрешением. Датчики на основе метаповерхностей используются для разработки микроволновых камер 20,21 . Эти камеры могут достигать субволнового пространственного разрешения, но, с другой стороны, разрешение этих датчиков ограничено размером элементарной ячейки. Существуют также различные оптические способы визуализации распределения микроволнового ближнего поля (MWNF). Электрооптическая визуализация в реальном времени является одним из них 22,23,24,25 . Основной принцип этого метода основан на эффекте Поккельса, а в качестве датчика электрического поля используется электрооптический кристалл ZnTe. Поскольку эффект Поккельса является электрооптическим эффектом, он может визуализировать распределение микроволнового электрического поля, и эта система подходит для выполнения измерений в реальном времени.
Термоупругая оптическая индикаторная микроскопия (ТЭОИМ) — еще один оптический метод визуализации распределения МУНФ.
В данной статье представлены приложения и методы ТЭОИМ, и основное внимание уделяется новому типу оптических индикаторов (ОИ), в основе которых лежит метаструктура. Предыдущие публикации этой системы ТЭОИМ содержат подробную информацию о принципах работы и методах обработки изображений 26 . Недавно было показано, что система визуализации TEOIM применима в медицинской среде и является многообещающим инструментом для диагностики биологических образцов 27 . Простые стекла с покрытием из оксида индия-олова (ITO) являются отличными индикаторами для визуализации магнитного поля, но для визуализации электрического поля трудно найти и изготовить индикаторы с высокими диэлектрическими потерями для визуализации электрического поля. Текущее исследование представляет собой простое решение для такого рода индикаторов, и оно основано на периодической структуре. Для визуализации электрического поля была разработана метаповерхность меандровой цепи (MCM) с использованием очков ITO.
Эти разработанные индикаторы на основе метаповерхностей способны визуализировать | E x | и | E у | компоненты плоскостного электрического поля отдельно.
Благодаря экспериментальной гибкости TEOIM, визуализация распределения MWNF с помощью фотоупругого эффекта является привлекательным методом для визуализации электрического и магнитного ближнего поля. Возможность визуализировать электрическое или магнитное поле в зависимости от свойств OI является одним из преимуществ TEOIM. Экспериментальную установку легко настроить без какого-либо дорогого или сложного оборудования. Кроме того, было экспериментально продемонстрировано, что система визуализации TEOIM способна выполнять изображения MWNF с высоким разрешением без пространственного сканирования. Быстрое измерение позволяет проводить экспериментальную проверку в реальных условиях вместо моделирования и позволяет разрабатывать уникальные прототипы и коммерческие системы для различных приложений.
В будущем, с продвинутыми индикаторами, система получит широкое применение.
Экспериментальная установка
На рисунке 1 показана (а) схема экспериментальной установки ТЭОИМ и (б) измерительная конфигурация тестируемого устройства (ИУ). Этот метод представляет собой систему микроскопа с поляризованным светом, в которой в качестве ИО использовалось коммерчески доступное стекло с покрытием ITO (Eagle XG, 0,7 мм). Свет от светодиодного (\(\lambda=530\, \text{нм}\)) источника передается и поляризуется по кругу после прохождения через линейный поляризатор (90°) и четвертьволновую пластину (45°). Падающий свет, направляемый на ОИ через неполяризованный светоделитель и распространяющийся на стеклянную подложку, отражался от слоя ITO индикатора за счет зеркального отражения. Наконец, пройдя через анализатор, интенсивность света регистрируется ПЗС-камерой 9.0700 4,26 .
Рисунок 1 ( a ) Иллюстрация системы визуализации.
Свет последовательно проходит через линейный поляризатор и четвертьволновую пластину, в результате чего становится поляризованным по кругу. Зондирующий свет направляется на OI, закрепленный на ИУ. Свет, отраженный от ОИ, проходит через анализатор (линейный поляризатор), и ПЗС-камера регистрирует интенсивность света. ( b ) Конфигурация тестируемого устройства, подключенного к сетевому анализатору. ITO размещался на конструкции устройства с небольшим воздушным зазором.
Полноразмерное изображение
Механизм визуализации основан на следующих явлениях. Когда микроволны воздействуют на стекло ITO, переменное магнитное поле микроволн генерирует поверхностный ток в слое ITO. Такие токи будут нагревать проводящий слой за счет процесса джоулева нагрева, вызванного резистивными потерями ITO. Генерируемое тепло диффундирует к стеклянной подложке и повышает локальную температуру стекла. В результате циркулярно поляризованный свет, освещающий индикатор, становится эллиптически поляризованным после зеркального отражения от слоя ITO из-за механически напряженной среды (фотоупругий эффект).
Распределение напряжения OI можно рассчитать, наблюдая за изменением линейного двойного лучепреломления (LB) фотоупругой среды. ПЗС-камера регистрирует эллиптически поляризованный свет с двумя различными ориентациями анализатора: 0° и 45°. Затем анализ напряжения показывает тепловое распределение стеклянной подложки, вызванное микроволновым поглощением слоя ITO. Температура термоупругой среды может быть рассчитана путем решения обратной задачи распределения механических напряжений с использованием двух изображений, представляющих результаты линейного двойного лучепреломления. Расчет можно выполнить по следующему уравнению: 9{2}},$$
(1)
где \(Q\) — распределение тепла, \(C\) — постоянный параметр, коррелирующий с физическими свойствами КИ и связанный с длиной волны падающего легкий. Дополнительная информация и ссылка. 26 представлена более подробная информация о системе ТЭОИМ, включая актуальные фотографии.
Когда электромагнитный сигнал подается на ИУ, вблизи ИУ создается специфическое частотно-зависимое распределение электромагнитного поля, связанное с геометрическими характеристиками фильтра.
В зависимости от электромагнитных и геометрических свойств проводящего слоя ОИ визуализируемое распределение тепла будет связано либо с распределением электрического, либо с магнитным полем. В общем, для немагнитных материалов микроволновый нагрев обусловлен двумя основными механизмами потерь: диэлектрическими и резистивными потерями. Резистивные потери преобладают в металлических материалах и материалах с высокой проводимостью, тогда как диэлектрические или диполярные потери преобладают в диэлектрических изоляторах 28,29 . Диэлектрические потери связаны с рассеиванием электрической энергии изоляционного материала колеблющимся электрическим полем, а резистивные потери связаны с джоулевым нагревом высокопроводящего материала электрическими токами, индуцированными колеблющимся магнитным полем. Не очень тонкие (выше порога электрической перколяции 30 ) высокопроводящие материалы (Al, Au, Pt), нанесенные на стеклянную подложку, будут иметь однородную поверхность и непрерывную проводимость вдоль поверхности.
Как хорошая проводящая пленка, этот тип металлического слоя взаимодействует с микроволновым магнитным полем и нагревается в соответствии с распределением магнитного поля. В противном случае, когда толщина металлической пленки составляет порядка нескольких нанометров (ниже порога электрической перколяции), поверхностная проводимость является прерывистой, поскольку поверхность металлического слоя неоднородна и состоит из металлических наноостровков. В таких диэлектрических слоях нагрев происходит за счет диэлектрических потерь при СВЧ-облучении. Металлические наночастицы, внедренные в стеклянные подложки, существенно увеличивают диэлектрические потери материала 31 . Таким образом, найти подходящее покрытие в случае индикатора магнитного поля несложно, поскольку для этого требуется только тонкий металлический слой с относительно высокой проводимостью 26 . Например, коммерчески доступные стеклянные подложки, покрытые слоями ITO толщиной в несколько десятков нанометров (электропроводность порядка ~ 10 5 –10 6 См/м) 32 , могут быть использованы для визуализации магнитных поля.
Кроме того, для визуализации магнитного поля можно использовать простые алюминиевые или платиновые зеркала. Однако в случае визуализации электрического поля найти индикатор сложно. Ранее опубликованные статьи представили OI с высокими диэлектрическими потерями для визуализации электрического поля 26 . Эти индикаторы состоят из стеклянной подложки XG, на поверхность которой нанесены алюминиевые наноостровки толщиной 5 нм, а затем покрыты тонкой пленкой из ПММА с использованием обычного метода центрифугирования. Однако этот метод подготовки включает в себя несколько этапов и достаточно сложен, а электромагнитные свойства индикатора чутко зависят от условий подготовки слоев. Во время этого процесса на свойства образца могут влиять несколько факторов, таких как скорость осаждения алюминия, размер наночастиц, процесс окисления в комнатных условиях, концентрация раствора ПММА, скорость центрифугирования и температура кристаллизации. Поэтому достижение таких же электромагнитных свойств индикаторов после этих сложных процессов подготовки является сложной задачей.
В этой статье представлен простой метод создания очень чувствительных и эффективных индикаторов электрического поля на основе метаповерхностей, чтобы избежать вышеупомянутых сложных процессов. Для подготовки метаповерхностей на коммерчески доступном однородном стекле ITO был нанесен рисунок с помощью простой техники лазерной абляции. Индикаторы, изготовленные эксимерным лазером, позволяют каждый раз добиваться одинаковых электромагнитных свойств для каждого изготавливаемого индикатора, что является одним из преимуществ использования шаблонных индикаторов. Кроме того, предлагаемые индикаторы позволяют отдельно обнаруживать либо | E x | или | E у | компоненты электрического поля в зависимости от ориентации рисунка метаповерхности, тогда как ранее предложенные индикаторы электрического поля на основе наночастиц могли визуализировать только плоскостную составляющую распределения электрического поля. Раздельная визуализация компонент электрического поля с помощью индикаторов на основе метаповерхностей является основной новизной данного исследования.
Эти материалы могут быть включены в приложения для одноцелевого зондирования даже в биологической среде.
Моделирование
Принцип работы системы визуализации основан на явлении термоупругости. При СВЧ-облучении металлический слой индикатора сильно взаимодействует с электромагнитным полем, и на поверхности ОИ генерируется распределение тепла. Поэтому имитационная модель была разработана для надлежащего исследования, чтобы понять поведение микроволнового нагрева узорчатых индикаторов. Численное моделирование проводилось с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics на основе метода конечных элементов (МКЭ). Геометрия периодической структуры показана на рис. 2а. Поскольку предлагаемый метод визуализирует распределение электрического и магнитного полей через распределение тепла, вызванное диэлектрическими или резистивными потерями в узорчатой тонкой проводящей структуре, был использован модуль «Теплообмен в твердых телах» в сочетании с модулем «Электромагнитные волны, частотная область».
для имитации тепловых эффектов в модели. Результат моделирования показывает, что распределение электрического и магнитного полей на поверхности проектируемой конструкции сильно различается. Был проведен численный анализ, чтобы показать распределения электрического и магнитного поля конструкции при нормальном падении х — и у -поляризованные плоские волны. Модель периодической структуры моделировалась путем применения периодических граничных условий на стенках модели. Дополнительная информация содержит более подробную информацию о моделях моделирования и результатах.
( a ) Направление поляризации падающего электромагнитного поля и геометрия структуры метаповерхности. Результат моделирования индикатора на частоте 5 ГГц для ( b ) распределения магнитного поля в плоскости (| H в плоскости |), ( c ) x -компонента распределения электрического поля (| E x |), и ( d ) y -компонента электрического поля раздача (| E y |).
( e ) Тепловое распределение на метаповерхности под действием микроволнового излучения. Выделенные структуры показывают элементарную ячейку метаповерхности.
Изображение в полный размер
В этой структуре непрерывность электропроводности была примерно разделена на у — направление зазором шириной 0,06 мм. С другой стороны, эффективная проводимость была снижена по сравнению с пленкой с непрерывной фазой за счет введения прямоугольных канавок в направлении x (рис. 2а). Поскольку вдоль направления x линия меандра является непрерывной, канавки размерами 0,06 мм × 0,2 мм можно рассматривать как способ снижения эффективной проводимости линии в соответствии с долей поверхности проводника 33 . Снижение эффективной проводимости приводит к относительному улучшению связи между взаимодействующим микроволновым электрическим полем и метаповерхностью. Эта метаповерхность не взаимодействует с микроволновым магнитным полем, так как магнитное поле не может генерировать поверхностные токи и нагревать индикатор за счет резистивных потерь из-за раздвоенной поверхностной проводимости.
Таким образом, нагрев индикатора возможен только за счет взаимодействия электрического поля СВЧ. При взаимодействии падающих микроволн с рисунком ОИ большой ток через меандр индуцируется только тогда, когда падающее электромагнитное поле поляризовано вдоль меандра, и в этом случае система характеризуется индуктивным импедансом что соответствует примерно 30% поглощения падающих микроволн и, следовательно, нагреву метаповерхности 34 . С другой стороны, падающее электрическое поле, поляризованное перпендикулярно линии меандра, не вызывает протекания тока и, следовательно, не возникает метаповерхностный нагрев. Обратите внимание, что хотя условие согласования может быть дополнительно улучшено за счет проектирования меандровых структур с меньшими фракциями поверхности, такая геометрия выбрана для обеспечения достаточно высокой интенсивности отраженного света от метаповерхности, поскольку TEOIM использует отраженный свет от OI для визуализации электрического поля. /распределения магнитного поля ИУ.
Микроволновый нагрев, вызванный электрическим полем, теперь преобладает над нагреванием, вызванным магнитным полем, и этот OI будет действовать как индикатор электрического поля. Из-за структурной асимметрии рассматриваемый индикатор на основе метаповерхности будет проявлять свойство поляризационной чувствительности в падающем электромагнитном поле. Для падающего поля с состоянием поляризации, параллельным линии меандра, канавки проводящих линий меандра ведут себя как конденсаторы, а электромагнитные поля локализованы между промежутками 9{2}},$$
(2)
где А обозначает амплитуду электрического E- или магнитного H- поля. На рис. 2b показано распределение магнитного поля в плоскости на поверхности периодической структуры. На рис. 2c,d изображены величины электрического поля | E x | и | E у | компоненты соответственно под плоской волной с поляризацией x . Видно, что сильное электрическое поле сосредоточено между меандровыми канавками, которые действуют как конденсаторы для падающего поля, поляризованного по ширине канавки.
Численный анализ показывает, что из-за большой плотности заряда вокруг острых краев канавок электрическое поле в этой локальной области сильнее. Таким образом, связь между падающим микроволновым полем и метаповерхностью ITO сильнее. Из-за этого эффекта связи металлическая поверхность нагревается, и распределение тепла показано на рис. 2e. Результат показывает, что тепло, распределенное вдоль металлических линий метаповерхности, аналогично распределению магнитного поля в плоскости, показанному на рис. 2b. Похоже, что в метаповерхности тепло генерируется магнитным полем, но микроволновая связь между метаповерхностью и падающим микроволновым полем возникает только тогда, когда направление поляризации падающей волны соответствует направлению линий меандра. После поворота падающей микроволновой поляризации на 90° метаповерхность не проявляет никакого эффекта связи с микроволновым полем. Результат моделирования для случая, когда поляризация падающего микроволнового поля перпендикулярна линии меандра, показан в разделе «Дополнительная информация».
2. В такой конфигурации метаповерхность не проявляет заметных изменений температуры под воздействием СВЧ-излучения. Причиной такого поведения является поляризационно-чувствительное свойство проектируемой метаповерхности, что означает, что для нормального падения y — поляризованная плоская волна, метаповерхность в основном прозрачная.
Результаты и обсуждение
На рисунке 3 показаны структура OI и результаты распределений MWNF измерения и моделирования. Чтобы продемонстрировать, что разработанный OI можно использовать для селективной визуализации компонентов электрического поля x и y , в качестве ИУ был выбран простой ступенчатый импедансный фильтр нижних частот (ФНЧ), схематическое изображение которого показано на рис. Рис. 3а. Эта структура фильтра подходит для индикаторного анализа, поскольку распределения магнитного поля и х — и у — компоненты электрического поля заметно отличаются; облегчая изучение принципов работы предложенного ОИ.
График параметров ИУ S включен в раздел «Дополнительная информация». 3. Распределения поля визуализируются путем размещения соответствующего ОИ на поверхности ИУ с небольшим воздушным зазором. На рис. 3b,c представлены оптические изображения ИУ (вид сверху) с индикатором и без него. Микроволновое поглощение и, следовательно, механизмы нагрева могут быть различными в зависимости от материала и структурных особенностей ОИ. Когда ОИ состоит из однородной металлической тонкой пленки, поверхностные токи, индуцированные магнитным полем, ответственны за нагрев индикатора 38,39 .
( a ) Иллюстрация тестируемого ФНЧ. Оптическое изображение ИУ ( b ) с индикатором и ( c ) без индикатора, снятое ПЗС-камерой. ( d ) Иллюстрация однородного стеклянного индикатора ITO. Узорчатая стеклянная метаповерхность ITO для ( e ) MCM x и ( f ) MCM y . Визуальный результат распределения MWNF с использованием ( г ) стекла ITO, ( ч ) MCM x — метаповерхность и ( i ) MCM y — метаповерхность на частоте 5 ГГц.
Результат моделирования ( j ) распределения магнитного поля в плоскости (| H в плоскости |), ( k ) x — компонента распределения электрического поля (| E x | ), и ( l ) y -компонента распределения электрического поля (| E y |) на частоте 5 ГГц.
Полноразмерное изображение
На рисунках 3d–f показаны схемы непрерывной пленки ITO, структуры узорчатого МКМ, когда линии меандра ориентированы вдоль 9Ось 0250 x (обозначается MCM x ) и ось y (обозначается MCM y ) соответственно. На рисунке 3g показано распределение магнитного поля ФНЧ на частоте 5 ГГц, где в качестве ОИ использовалось однородное стекло ITO. Шаблонный индикатор при правильной ориентации может визуализировать только одну составляющую распределения электрического поля ВЧ-устройства. | E x | компонент электрического поля (рис. 3h) визуализировали с помощью ОИ, показанного на рис.
3e. Аналогичным образом, на рис. 3i показано распределение электрического поля | E у | компонент, визуализированный с помощью OI, показанного на рис. 3f. Рабочая частота составляла 5 ГГц для всех случаев. Эти экспериментальные результаты полностью подтверждаются полноволновым численным моделированием на основе FEM, показанным на рис. 3j – l, представляющим смоделированные распределения | H в плоскости |, | E x | и | E у | компоненты электромагнитного поля ИУ. Результаты экспериментов и моделирования показывают, что магнитное поле в основном локализовано вокруг линии высокого импеданса (ВИЛ), а электрическое поле локализовано между вертикальными линиями, пересекающими ВИЛ, вдали от ВИЛ. В частности, для y -компонента распределения электрического поля, энергия локализована только на концах вертикальных линий. Одним из основных преимуществ разработанного ОИ является возможность визуализации только одной компоненты электрического поля, а за счет поляризационной чувствительности ОИ этот же индикатор можно просто повернуть на 90° и использовать для визуализации другой компоненты электрического поля.
электрическое поле, тем самым различая каждую часть Е-поля.
Используя одно и то же тестируемое устройство, были визуализированы распределения электрического и магнитного полей на частотах 3 ГГц и 4 ГГц, чтобы показать, что разработанные OI могут правильно работать в разных частотных диапазонах. Кроме того, экспериментальные результаты на частоте 4 ГГц сравнивались с соответствующими результатами моделирования. На рис. 4a,b показано распределение плоскостной составляющей магнитного поля на частотах 3 ГГц и 4 ГГц соответственно, а на рис. 4c показано распределение того же компонента для частоты 4 ГГц, полученное с помощью моделирования на основе МКЭ. Сохраняя тот же способ представления, на рис. 4d-i изображены визуализированные (на частотах 3 ГГц и 4 ГГц) и смоделированные (на 4 ГГц) распределения электрического поля | E x | и | E у | компонентов соответственно. Хотя разработанный индикатор визуализирует только одну составляющую электрического поля, можно получить распределение электрического поля в плоскости с помощью простой обработки изображения в соответствии с уравнением.
2) с использованием экспериментально полученных распределений электрического поля 90 250 х 90 251 — и 90 250 y 90 251 -компонент. Например, на рис. 4j показано рассчитанное распределение электрического поля в плоскости с использованием изображений, показанных на рис. 4d,g, на частоте 3 ГГц. Тем же методом на рис. 4k было рассчитано распределение электрического поля в плоскости с использованием изображений, показанных на рис. 4e,h, на частоте 4 ГГц.
Визуализированные и смоделированные распределения электрического и магнитного полей ФНЧ. В первой строке представлены визуализированные и смоделированные результаты распределения магнитного поля в плоскости (| H в плоскости |) с использованием стеклянного индикатора ITO при ( a ) 3 ГГц и ( b ) 4 ГГц. ( c ) Результат моделирования соответствует ( b ). Во второй строке представлены визуализированные и смоделированные результаты для 90 250 x 90 251 -компонента распределения электрического поля (| E x |) с использованием метаповерхности MCM x на частоте ( d ) 3 ГГц и ( e ) 4 ГГц.
( f ) Результат моделирования соответствует ( e ). В третьей строке представлены визуализированные и смоделированные результаты для y -компонента распределения электрического поля (| E y |) с использованием метаповерхности MCM y при ( g ) 3 ГГц и ( h ) 4 ГГц. ( i ) Результат моделирования соответствует ( ч ). Четвертая строка представляет результаты расчетов и моделирования для распределения электрического поля в плоскости (| E в плоскости |) при ( j ) 3 ГГц и ( k ) 4 ГГц. ( l ) Результат моделирования соответствует ( k ).
Полноразмерное изображение
Эти распределения электрического поля в плоскости, полученные на частоте 4 ГГц (рис. 4k), были сопоставлены с результатами моделирования (рис. 4l) и находятся в хорошем согласии. Помимо ФНЧ была протестирована еще одна конструкция фильтра через систему ТЭОИМ с использованием тех же методов и индикаторов, что и выше.
Результаты визуализации электрического и магнитного поля шпилечного полосового фильтра (BPF) с другой структурной формой по сравнению с LPF включены в раздел «Дополнительные материалы». 4. В обоих случаях разработанные индикаторы показывают сравнимые результаты для распределений полей, полученных с помощью численного анализа. Фундаментальное понимание явления микроволнового нагрева разработанных индикаторов относительно сложно. Теоретически представить принципы нагрева под микроволновым излучением сложно из-за особенностей и сложного взаимодействия электромагнитной волны с узорчатой тонкой металлической пленкой, когда толщина металла очень мала по сравнению с толщиной скин-слоя 28 . Компьютерное моделирование такой системы, как и в данном случае, является отличным методом получения полного представления о принципах микроволнового нагрева. Это основная причина сравнения экспериментального результата с имитационными моделями, и этот метод сравнения является самодостаточным.
Индикаторы также были протестированы в практических приложениях, связанных с визуализацией радиочастотных фильтров. В частности, разработанный OI можно использовать для сканирования и визуализации пространственного распределения электромагнитных полей в области над поверхностью ИУ, где присутствует источник излучаемого поля. Для этого последовательно увеличивалось расстояние от индикатора до ИУ. Иллюстрация на рис. 5а показывает структуру ФНЧ и ОИ, помещенных в ближнюю область устройства, с разными позициями после каждого шага визуализации. Первое визуализированное распределение электрического поля было получено при толщине воздушного зазора между ОИ и ИУ 0,5 мм. Этот воздушный зазор предотвращает изменение параметров рассеяния ВЧ-фильтра. Поэтому, начиная с этого положения, расстояние увеличивалось на 0,1 мм после каждого шага визуализации, и процесс продолжался до тех пор, пока измерение не показывало никакого распределения поля. Это процесс сканирования через z -ось, где были собраны 2D-срезы изображений распределения MWNF, и интенсивности были нормализованы вместе.
Результаты экспериментов и моделирования показывают, что микроволновая мощность локализована только в ближайших областях микрополосковых линий. После перемещения индикатора всего на 2,5 мм от поверхности ИУ было получено двадцать изображений для дальнейшей обработки изображений. Размер шага этого процесса сканирования пренебрежимо мал по сравнению с длиной волны рабочей частоты, что позволяет нам сделать простую математическую аппроксимацию между двумя соседними срезами без каких-либо шероховатостей. Программное обеспечение для анализа изображений imageJ 40 был использован для реконструкции трехмерного объемного изображения распределения MWNF с использованием визуализированного двумерного стека.
( a ) Иллюстрация тестируемого LPF с OI, расположенным в разных местах от метаповерхности с различными шагами измерения. Трехмерная реконструкция ФНЧ на частоте 4,5 ГГц для ( b ) x — компонента распределения электрического поля (| E x |) и ( c ) распределения магнитного поля в плоскости (| H в плоскости |).
( d ) Результат моделирования распределения магнитного поля в плоскости.
Полноразмерное изображение
На рисунке 5b показано трехмерное реконструированное изображение x -компонента распределения электрического поля с двумя ортосрезами, пересекающими оси x — и y , где фактический размер z — удлинение оси составляет 2 мм. На рис. 5c показано распределение магнитного поля ФНЧ в плоскости, а для сравнения результат моделирования включен в рис. 5d. Результаты измерений и моделирования показывают, что в случае ВЧ-фильтров микроволновая мощность распределяется только вблизи поверхности фильтра. Дополнительное видео 1 последовательно показывает вращение на 360° вокруг трехмерных реконструированных распределений магнитного поля в плоскости, х — и у — компоненты электрического поля для ФНЧ и ППФ. Этот метод трехмерной реконструкции может быть отличным практическим инструментом для исследования и оптимизации патч-антенн путем визуализации диаграмм направленности спроектированной конструкции 3 .
Система ТЭОИМ может стать альтернативой программам компьютерного моделирования, позволяющей перенести исследование в реальную экспериментальную среду. Кроме того, TEOIM является отличным инструментом для визуализации распределения MWNF на поверхности метаматериалов, который может быть полезен для оптимизации конструкции и полного понимания физических процессов, связанных с взаимодействием падающего поля и элементарной ячейки метаматериала. Даже если структура метаматериала спроектирована непосредственно на прозрачном и термоупругом материале, таком как стеклянная подложка, ее можно одновременно использовать как ОИ и ИУ. Роль прозрачных проводящих оксидов и особенно сенсоров на основе ITO со временем возрастает, и благодаря своим уникальным свойствам этот материал является перспективным кандидатом для разработки сенсоров для медицинских и технологических приложений 41,42,43 . Модификация пленки ITO открывает новые физические и сенсорные свойства этого материала и увеличивает область интереса, как указано выше.
Предлагаемая структура не ограничивает возможности визуализации ТЭОИМ. По-видимому, за счет уменьшения размера ячейки структуры можно достичь более высокого разрешения и чувствительности визуализации. Кроме того, используя идеи, представленные в этой работе, можно разработать новые индикаторы на основе метаповерхностей с более эффективными и улучшенными свойствами визуализации.
Выводы
Разработана новая периодическая структура на основе стекла ITO, выполняющая функции ОИ для системы ТЭОИМ. Было показано, что разработанный ОИ на основе метаповерхности может быть использован для визуализации компонентов распределения электрического поля x- и y-. Индикатор был протестирован для визуализации распределения полей двух разных ВЧ-фильтров на нескольких рабочих частотах, что продемонстрировало хорошее совпадение с соответствующими численными моделями. Начиная с ближней области RF-фильтра, пространственное распределение MWNF визуализировалось путем изменения расстояния между OI и RF-фильтром, где были собраны все 2D-изображения для дальнейшей 3D-реконструкции поля.
Восстановленные трехмерные пространственные распределения могут быть использованы для исследования различных интерференционных явлений. Наконец, были обсуждены возможные возможности системы ТЭОИМ с расширенным ОИ.
Ссылки
Шао, В. и МакКоллоу, Т. Достижения в области микроволновой визуализации ближнего поля: прототипы, системы и приложения. IEEE Микров. Маг. 21 , 94–119 (2020).
ПабМед ПабМед Центральный Google ученый
Ислам, М. Т., Махмуд, М. З., Ислам, М. Т., Кибрия, С. и Самсуцзаман, М. Недорогая портативная микроволновая система визуализации для обнаружения опухолей молочной железы с использованием направленной антенной решетки СШП. Науч. 9 , 1–13 (2019).
Google ученый
Аракелян С. и др.
Антенна Исследование с помощью термоупругого оптического индикаторного микроскопа: Измерение дефектов и трехмерная визуализация электромагнитных полей. Антенны IEEE Распространение. Маг. 61 , 27–31 (2019).ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый
Ли Х., Багдасарян З., Фридман Б. и Ли К. Визуализация электрических дефектов стекла с покрытием ITO с помощью оптического микроскопа с микроволновым нагревом. IEEE Access 7 , 42201–42209 (2019 г.).
Google ученый
Yu, Y., Li, Y., Qin, H. & Cheng, X. Микроволновые измерения и визуализация множественных коррозионных трещин в плоских металлах. Матер. Дес. 196 , 109151 (2020).
Google ученый
Тенг В. С., Фирдаус Акбар М., Нихад Джавад Г., Тан С. Ю. и Мохд Сазали М.
И. С. Прошлый, настоящий и перспективный обзор неразрушающей оценки композитных покрытий в микроволновой печи. Покрытия 11 , 1–25 (2021).Google ученый
Гао Ю. и др. Электромагнитная импульсная термография для исследования естественных трещин. наук. 7 , 1–9 (2017).
Google ученый
Саадат-Сафа, М., Найери, В., Гадими, А., Сулеймани, М. и Рамахи, О. М. Пиксельный микроволновый датчик ближнего поля для точной характеристики диэлектрических материалов. Науч. 9 , 1–12 (2019).
ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый
Вивек А., Шамбави К. и Алекс З. К. Обзор: Датчики метаматериалов для определения характеристик материалов. Sens. Rev. 39 , 417–432 (2019).
Google ученый
Gramse, G. и др. Неразрушающая визуализация атомарно тонких наноструктур, скрытых в кремнии. наук. Доп. 3 , 1–8 (2017).
Google ученый
Gramse, G. и др. Количественная подповерхностная и бесконтактная визуализация с использованием сканирующей микроволновой микроскопии. Нанотехнологии 26 , 135701 (2015).
ОБЪЯВЛЕНИЕ пабмед Google ученый
Бервегер С., Уоллис Т. М. и Кабос П. Характеристика наноэлектроники: использование микроволновой микроскопии ближнего поля для исследований в области нанотехнологий.
IEEE Микров. Маг. 21 , 36–51 (2020).Google ученый
Berweger, S. и др. Микроволновая визуализация ближнего поля двумерных полупроводников. Нано Летт. 15 , 1122–1127 (2015).
ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый
Мобашшер А. Т. и Аббош А. М. Экспресс-диагностика внутричерепной гематомы на месте с использованием портативной системы многослойной микроволновой визуализации. наук. 6 , 1–17 (2016).
Google ученый
Ислам, М. Т., Ислам, М. Т., Самсуззаман, М., Аршад, Х. и Рмили, Х. Метаматериал, загруженный девятью антенными решетками Вивальди с высоким коэффициентом усиления для применения микроволновой визуализации груди. Доступ IEEE 8 , 227678 (2020 г.).
Google ученый
Целев, А. Микроволновая микроскопия ближнего поля: визуализация подповерхностного слоя для определения характеристик in situ. IEEE Микров. Маг. 21 , 72–86 (2020).
Google ученый
Фарина, М. и Хванг, Дж. К. М. Сканирующая микроволновая микроскопия для биологических приложений: введение в современное состояние и инвертированный SMM. IEEE Микров. Маг. 21 , 52–59 (2020).
Google ученый
Ohlberg, D.A.A. et al. Пределы иммерсионной микроволновой микроскопии ближнего поля оцениваются путем визуализации двухслойных графеновых муаровых узоров. Нац. коммун. https://doi.org/10.1038/s41467-021-23253-2 (2020 г.).
Google ученый
Ван, Л., Ли, Л., Ли, Ю., Чжан, Х.К. и Цуй, Т.Дж. Однократное и односенсорное микроволновое изображение с высоким/сверхразрешением на основе метаповерхности. Науч. 6 , 1–8 (2016).
Google ученый
Цучия, М., Фукуи, С. и Йоринага, М. Микроскопическая электрооптическая визуализация в реальном времени. наук. 7 , 1–8 (2017).
Google ученый
Цучия, М., Сасагава, К., Канно, А. и Шиодзава, Т. Живая электрооптическая визуализация волн W-диапазона. IEEE Trans. Микров. Теория Тех. 58 , 3011–3021 (2010).
ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый
Sasagawa, K., Kanno, A., Kawanishi, T. & Tsuchiya, M. Система электрооптической визуализации в реальном времени на основе ультрапараллельного фотонного гетеродина для микроволнового ближнего поля. IEEE Trans. Микров. Теория Тех. 55 , 2782–2791 (2007).
ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый
Ли, Х., Аракелян, С., Фридман, Б. и Ли, К. Температурная и микроволновая визуализация ближнего поля с помощью термоупругой оптической индикаторной микроскопии. Науч. 6 , 1–11 (2016).
Google ученый
Мишра, Р. Р. и Шарма, А. К. Явления взаимодействия микроволн и материала: механизмы нагрева, проблемы и возможности в обработке материалов. Композ. Приложение науч. Произв. 81 , 78–97 (2016).
КАС Google ученый
Позар Д.М. Микроволновая техника 4-е изд. (Уайли, 2011).
Google ученый
Сабаев, В., Кроитору, Н., Инберг, А. и Шахам-Диаманд, Ю. Эволюция и анализ электрического порога перколяции в тонких пленках нанометрового размера, осажденных методом химического осаждения.
Матер. хим. физ. 127 , 214–219 (2011).КАС Google ученый
Рамеш, Г. В., Порель, С. и Радхакришнан, Т. П. Тонкие полимерные пленки с наночастицами металла, выращенными in situ. Хим. соц. Откр. 38 , 2646–2656 (2009).
КАС пабмед Google ученый
Ван, Л., Вен, Дж., Ян, К. и Сюн, Б. Возможности тонкой пленки ITO для приложений с памятью электрических датчиков. наук. Технол. Доп. Матер. 19 , 791–801 (2018).
КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый
Ли, С. и др. Микроволновое поглощение ультратонких проводящих пленок и конструкции частотно-независимых сверхтонких поглотителей. AIP Adv. 4 , 017130 (2014).
ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый
Винченти Гатти, Р. и Росси, Р. Новая процедура моделирования поляризатора с меандровой линией и широкополосная эквивалентная схема. IEEE Trans. Антенны Распространение. 65 , 6179–6184 (2017).
ОБЪЯВЛЕНИЕ MathSciNet МАТЕМАТИКА Google ученый
Пасакави, С. и Ху, З. Электрическая малая меандровая патч-антенна. В проц. 6 евро. конф. Распространение антенн, EuCAP 2012, Vol. 1, 2914–2918 (2012).
Мохаджер-Иравани, Б. и Рамахи, О. М. Модель широкополосной схемы для плоских структур EBG. IEEE Trans. Доп. Упак. 33 , 169–179 (2010).
Google ученый
Босман Х., Лау Ю. Ю. и Гильгенбах Р. М. Микроволновое поглощение на тонкой пленке. Заяв. физ. лат. 82 , 1353–1355 (2003).
ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый
Шнайдер, К. А., Расбанд, В. С. и Элисейри, К. В. NIH Image to ImageJ: 25 лет анализа изображений. Нац. Методы 9 , 671–675 (2012).
КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый
An, B. W., Heo, S., Ji, S., Bien, F. & Park, J. U. Прозрачная и гибкая матрица датчиков отпечатков пальцев с мультиплексным определением тактильного давления и температуры кожи. Нац.
коммун. 9 , 1–10 (2018).Google ученый
Юнг, М. и др. Прозрачный и гибкий датчик давления на основе пирамиды Майя с использованием оксида индия и олова с легким переносом для применения в бимодальных датчиках. Науч. 9 , 1–11 (2019).
ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый
душ Сантуш, М.Б. и др. Безэтикеточный иммуносенсор на основе ITO для обнаружения очень низких концентраций патогенных бактерий. Биоэлектрохимия 101 , 146–152 (2015).
Google ученый
Антенна Исследование с помощью термоупругого оптического индикаторного микроскопа: Измерение дефектов и трехмерная визуализация электромагнитных полей. Антенны IEEE Распространение. Маг. 61 , 27–31 (2019).
И. С. Прошлый, настоящий и перспективный обзор неразрушающей оценки композитных покрытий в микроволновой печи. Покрытия 11 , 1–25 (2021).
«>Кан, Т. Г. и др. Микроволновая характеристика проводящего полимера PEDOT: пленка PSS с использованием микрополосковой линии для применения в качестве датчика влажности. Изм. Дж. Междунар. Изм. конф. 137 , 272–277 (2019).
Google ученый
IEEE Микров. Маг. 21 , 36–51 (2020).
«>Се, Ю. и др. Микроволновая камера/6,3 ГГц с субволновым разрешением на основе поглотителя из метаматериала. наук. 7 , 1–8 (2017).
Google ученый
«>Сасагава, К., Канно, А. и Цутия, М. Мгновенная визуализация электрических ближних полей К-диапазона с помощью живой электрооптической системы визуализации на основе двухполосной подавленной несущей модуляции. Дж. Свет. Технол. 26 , 2782–2788 (2008).
ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый
«>Багдасарян З. и др. Визуализация распределения микроволнового ближнего поля в водных растворах хлорида натрия и глюкозы с помощью термоупругого оптического индикаторного микроскопа. наук. Отчет https://doi.org/10.1038/s41598-020-80328-8 (2021 г.).
ПабМед ПабМед Центральный Google ученый
Матер. хим. физ. 127 , 214–219 (2011).
«>Wadsworth, S.L. & Boreman, G.D. Широкополосная четвертьволновая пластина, отражающая меандр. Опц. Экспресс 19 , 10604 (2011).
ОБЪЯВЛЕНИЕ пабмед Google ученый
«>Йошикава Н. Основы и применение микроволнового нагрева металлов. Дж. Микров. Силовой электромагнит. Энергия 44 , 4–13 (2010).
ПабМед Google ученый
коммун. 9 , 1–10 (2018).Ссылки на скачивание
Благодарности
Эта работа была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (MSIT) (NRF-2021R1A2C1007334), и грантом на научные исследования через Государственный комитет науки Министерства образования, науки, Культура и спорт Армении (20DP-1C05 и 21AG-1C061).
Информация об авторе
Авторы и организации
Факультет физики, Университет Соган, Сеул, 121-742, Южная Корея
Жирайр Багдасарян, Сынван Ким и Кеджин Ли
Факультет радиофизики, Ереванский государственный университет, 0025, Ереван, Армения
Жирайр Багдасарян, Арсен Бабаджанян и Генрик Парсамян
Факультет физики, Государственный университет Сэма Хьюстона, Хантсвилл 02 900 1, США 77304 Фридман
Кафедра наук о жизни Университета Соган, Сеул, 121-742, Южная Корея
Юнг-Ха Ли
Авторы
- Жирайр Багдасарян
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Арсен Бабаджанян
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Генрик Парсамян
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Barry Friedman
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Seungwan Kim
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Jung-Ha Lee
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
- Kiejin Lee
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия
Вклады
Все авторы рассмотрели рукопись.
Автор, ответственный за переписку
Киджин Ли.
Заявление об этике
Конкурирующие интересы
Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.
Дополнительная информация
Примечание издателя
Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и институциональной принадлежности.
Дополнительная информация
Дополнительная информация.
Дополнительное видео 1.
Дополнительное видео 1.
Права и разрешения
Открытый доступ на любом носителе или в любом формате, при условии, что вы укажете первоначальных авторов и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя.
Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
Перепечатка и разрешения
Об этой статье
Комментарии
Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.
Визуализация происхождения магнитных сил с помощью электронной микроскопии с атомным разрешением
Рис. 1. Изображение магнитного поля антиферромагнетика α-Fe2O3 в реальном пространстве. Изображение атомной структуры (слева) и соответствующее изображение магнитного поля (справа). На изображении атомной структуры атомы Fe визуализируются в виде ярких пятен. На изображении магнитного поля цветовой контраст указывает на ориентацию и напряженность магнитного поля. Цветовой круг на вставке указывает, как цвет и оттенок обозначают ориентацию и напряженность магнитного поля на векторной карте цветов.
Отчетливо наблюдаются антипараллельные магнитные поля на соседних атомных слоях Fe, визуализирующие антиферромагнитный порядок в этом кристалле. Кредит: Наоя СибатаСовместная группа разработчиков профессора Шибата (Токийский университет), JEOL Ltd. и Университета Монаш впервые в мире успешно наблюдала атомное магнитное поле, происхождение магнитов (магнитную силу). Наблюдение проводилось с использованием недавно разработанного STEM с атомарным разрешением без магнитного поля (MARS). Этой группе уже удалось впервые наблюдать электрическое поле внутри атомов в 2012 году. Однако, поскольку магнитные поля в атомах чрезвычайно слабы по сравнению с электрическими полями, технология наблюдения магнитных полей была неизведанной с момента разработки электронных микроскопы. Это эпохальное достижение, которое перепишет историю развития микроскопов.
Электронные микроскопы обладают самым высоким пространственным разрешением среди всех используемых в настоящее время микроскопов.
Однако для достижения сверхвысокого разрешения, позволяющего наблюдать за атомами напрямую, мы должны наблюдать за образцом, помещая его в чрезвычайно сильное магнитное поле линзы. Поэтому атомное наблюдение магнитных материалов, на которые сильно влияет магнитное поле линзы, таких как магниты и стали, было невозможно в течение многих лет. Для решения этой сложной задачи в 2019 году команде удалось разработать объектив с совершенно новой структурой.. Используя эту новую линзу, команда осуществила атомное наблюдение магнитных материалов, на которое не влияет магнитное поле линзы. Следующей целью группы было наблюдение за магнитными полями атомов, которые являются источником магнитов (магнитной силы), и они продолжили технологическое развитие для достижения цели.
На этот раз совместная группа разработчиков взяла на себя задачу наблюдения магнитных полей атомов железа (Fe) в кристалле гематита (α-Fe 2 O 3 ), загрузив MARS недавно разработанным высокочувствительным высокоскоростной детектор и дальнейшее использование технологии компьютерной обработки изображений.
Для наблюдения за магнитными полями они использовали метод дифференциального фазового контраста (DPC) с атомарным разрешением, который представляет собой метод измерения локального электромагнитного поля сверхвысокого разрешения с использованием сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM), разработанный профессором Шибата и др. Результаты прямо продемонстрировали, что атомы железа сами по себе являются маленькими магнитами (атомный магнит). Результаты также прояснили происхождение магнетизма (антиферромагнетизма), проявляемого гематитом на атомном уровне.
По результатам настоящего исследования было продемонстрировано наблюдение за атомным магнитным полем, и был разработан метод наблюдения за атомным магнитным полем.
Ожидается, что в будущем этот метод станет новым методом измерения, который приведет к исследованиям и разработкам различных магнитных материалов и устройств, таких как магниты, стали, магнитные устройства, магнитная память, магнитные полупроводники, спинтроника и топологические материалы.
Узнайте больше
Прямая визуализация магнитных материалов с атомным разрешением
Дополнительная информация: Юджи Коно и др., Визуализация собственных магнитных полей антиферромагнетика в реальном пространстве, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04254-z
Информация журнала: Природа
Предоставлено Японское агентство науки и технологий
Цитата :
Визуализация происхождения магнитных сил с помощью электронной микроскопии с атомным разрешением (2022, 24 февраля)
получено 23 сентября 2022 г.