ネール効果

超常磁性（磁性の一種）において、ネール効果は、導体コイル内の超常磁性体が変化する周波数の磁場にさらされたときに発現します。超常磁性体の非線形性は周波数ミキサーとして作用し、コイル端子で測定される電圧は、初期周波数と特定の線形結合の周波数における複数の周波数成分で構成されます。測定対象となる磁場の周波数シフトにより、標準コイルで 直流磁場を検出できます。

磁化超常磁性物質

歴史

1949年、フランスの物理学者ルイ・ネール（1904-2000）は、強磁性ナノ粒子を微細化すると、ある大きさ以下になるとヒステリシス特性を失うことを発見しました。 ^{[ 1 ] [ 2 ]}この現象は超常磁性として知られています。これらの物質の磁化は、印加磁場の影響を受けますが、その磁場は極めて非線形です。

この曲線はランジュバン関数によってうまく記述されますが、弱い場の場合は次のように簡単に記述できます。

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

ここで、は零磁場における磁化率であり、ネール係数として知られています。ネール係数は、低磁場における超常磁性物質の非線形性を反映しています。 ${\displaystyle \chi _{0}}$ ${\displaystyle N_{e}}$

理論

ネール効果の図解

励起電流が流れる表面を持つコイルを、コイルの軸と同一直線上 の磁場に浸すと、コイルの内側に超常磁性材料が堆積します。${\displaystyle N}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle I_{\text{exc}}}$ ${\displaystyle H_{ext}}$

コイルの巻線の端子への起電力は、次の式で表されます。 ${\displaystyle e}$

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

ここで、磁気誘導は次の式で与えられます。 ${\displaystyle B}$

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

磁性材料がない場合、

${\displaystyle M=0}$

そして

${\displaystyle B=\mu _{0}\mu _{r}(H_{ext}+H_{\text{exc}})}$ 。

この式を微分すると、電圧の周波数は励起電流または磁場と同じになります。 ${\displaystyle i_{\text{exc}}}$ ${\displaystyle H_{ext}}$

超常磁性物質が存在する場合、テイラー展開の高次項を無視すると、Bは次の式を得ます。

${\displaystyle B=\mu_{0}\mu_{r}((1+\chi_{0})(H_{ext}+H_{\text{exc}})+N_{e}(H_{ext}+H_{\text{exc}})^{3})}$

方程式の最初の項を新たに導出すると、励起流または磁場の周波数電圧成分が得られます。 ${\displaystyle \mu_{0}\mu_{r}(1+\chi_{0})(H_{ext}+H_{\text{exc}})}$ ${\displaystyle i_{\text{exc}}}$ ${\displaystyle H_{ext}}$

第二項の展開は、モジュール間周波数成分を乗算し、それらの線形結合を生成する。超常磁性材料の非線形性は、周波数ミキサーとして作用する。 ${\displaystyle (H_{ext}+H_{\text{exc}})^{3}=H_{ext}^{3}+3H_{ext}^{2}H_{\text{exc}}+3H_{ext}H_{\text{exc}}^{2}+H_{\text{exc}}^{3}}$

横軸にコイル内の全磁場をとった場合、上記の誘導コイルを横軸に沿って 0 から の間で積分し、について微分すると次の式が得られます。 ${\displaystyle H(l)}$ ${\displaystyle L_{p}}$ ${\displaystyle t}$

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

と${\displaystyle I_{\text{exc}}(t)=I_{\text{exc}}\cos(w_{\text{exc}}t)}$

高周波搬送波の周囲におけるネール効果によるEMFの出現のスペクトル表現

自己インダクタンスとロゴウスキー効果という従来の項は、元の周波数の両方に見られます。3番目の項はネール効果によるもので、励起電流と外部磁場の 相互変調を表します。

励起電流が正弦波の場合、ネール効果は情報フローフィールドを運ぶ第2高調波の出現によって特徴付けられます。

${\displaystyle u(t)=LI_{\text{exc}}w_{\text{exc}}\cos(w_{\text{exc}}t)+F_{Rog}{\frac {d}{dt}}\left[\int _{0}^{Lp}H_{ext}(l)dl\right]+F_{\text{Neel}}\left[\int _{0}^{Lp}H_{ext}(l)dl\right]{\frac {I_{\text{exc}}^{2}}{2}}w_{\text{exc}}\sin(2w_{\text{exc}}t)}$

アプリケーション

ネール効果電流センサーの設計

ネール効果の重要な応用は電流センサーとしてであり、電流を流した導体から放射される磁場を測定する。^{[ 3 ]}これがネール効果電流センサーの原理である。^{[ 4 ]}ネール効果により、変流器内の非常に低周波のセンサーで非接触で電流を正確に測定することができる。

ネール効果電流センサーの トランスデューサーは、超常磁性ナノ粒子をコアとするコイルで構成されています。コイルには励起電流が流れます。

${\displaystyle i_{\text{exc}}(t)}$ 。

測定対象となる外部磁場が存在する場合：

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

変換器は、測定対象の情報H (f)を搬送周波数の周りで転置します（ネール効果により） 、2次高調波励起電流2：

${\displaystyle f_{\text{exc}}}$

よりシンプルです。コイルによって発生する起電力は測定対象となる磁場に比例します。

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

励起電流の2乗は次のようになります。

${\displaystyle fem(t)=F_{\text{Neel}}i_{\text{exc}}^{2}(t)H(t)}$

測定性能（直線性、温度・振動に対する感度など）を向上させるため、センサには二次高調波を打ち消すための永久巻線反作用が組み込まれています。一次電流に対する反作用電流の関係は、反作用電流の巻数に比例します。

${\displaystyle I_{cr}=I_{p}/N_{cr}}$ 。

参考文献

1. 科学アカデミー週刊会議議事録、1949-1901 (T228) -1949/06、pp. 664-666。
2. Louis Néel、「テラコッタを用いた強磁性磁気抵抗粒状化理論の応用」Wayback Machineに2014年3月12日にアーカイブ、 Annals of Geophysics V、 fasc. 2、1949年2月、99-136頁。
3. これらのセンサー用の磁場および電流制御方法と磁気コア/ 出版物詳細 / ライブラリ? CC = EN & NR = 2891917「特許 FR 2891917」。
4. 特定の形状の磁場のフローセンサーを用いて電流を測定する方法、および結果として得られるシステムは、そのようなプロセスから得られる、「特許FR 2971852」

参照

• 超常磁性
• ルイ・ニール