Электромагнитно-акустическое преобразование. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Электромагнитно-акустическое преобразование

Электромагнитно-акустическое преобразование (ЭМАП) - превращение части энергии эл--магн. волн на границе проводника в энергию упругих колебаний той же или кратных частот, меньших дебаевской частоты (см. Дебая теория ).Характеристиками ЭМАП служат амплитуда возбуждаемого ультразвука и и эффективность преобразования h, определяемая отношением потоков энергий в упругой и эл--магн. волнах. Обычно h~10^-8- 10^-12, причём наиб. интенсивная генерация ультразвука происходит в присутствии пост. магн. поля Н₀. В случае генерации продольного ультразвука вектор Н₀ направляют вдоль границы проводника (рис. 1, а), а в случае генерации поперечного ультразвука (см. Упругие волны - )по нормали к ней (рис. 1, б). Эл--магн. поле создаётся катушками индуктивности, расположенными вблизи поверхности (при работе на высоких частотах образец помещают в объёмный резонатор). Преобразователем эл--магн. и упругой энергий в задачах ЭМАП выступает собственно приповерхностный слой проводника. Формируя разл. конфигурации Н₀ и эл--магн. полей у поверхности проводника (рис. 2), можно возбуждать в нём не только объёмные упругие волны, распространяющиеся под любым углом к поверхности, но и разл. типы поверхностных акустических волн.

Наиб. широко используются два метода эксперим. исследования ЭМАП. Первый из них заключается в генерации эл--магн. полем короткого УЗ-импульса, к-рый, отражаясь от противоположных граней образца, создаёт последовательность затухающих эхо-сигналов. Регистрация этих сигналов осуществляется либо той же катушкой индуктивности за счёт эффекта обратного ЭМАП, либо пьезоэлектрическими преобразователями или магнитострш-иионными преобразователями. Второй метод предполагает исследование резонансных особенностей поверхностного импеданса Z при установлении стоячих упругих волн в образцах "правильной" формы - пластинах, стержнях и т. д.

Рис. 1. Схема стандартного расположения источников полей относительно границы металла в случае возбуждения продольного (а) и поперечного (б)ультразвука. Волнистыми стрелками обозначены направления распространения упругих волн, двусторонними - колебания частиц в волне, N и S-полюсы постоянного магнита.

Основой теоретич. исследования ЭМАП служит связанная система ур-ний теории упругости и ур-ний Максвелла, описывающая возбуждение, взаимодействие и распространение в проводящих средах эл--магн., акустич. и спиновых колебаний. В нормальном металле плотность силы, возбуждающей акустич. колебания, можно представить в виде суммы индукционного fⁱ, деформационного f ^dи стюарт-толменовского f^S слагаемых, в магнетиках она дополняется силами магнитоупругой природы f^m (см. Магнитострикция).

Рис. 2. Некоторые типы катушек индуктивности (a), распределения переменного тока в скин-слое (б)и вызываемые индукционным механизмом поля упругих смещений (в).

Под действием эл--магн. волны в металле наводится перем. ток j, сосредоточенный у его поверхности (см. Скин-эффект ).Взаимодействие этого тока с постоянным магн. полем приводит к появлению силы

действующей на электроны и передающейся через столкновения решётке. Амплитуда возбуждаемого ультразвука при этом пропорциональна Н₀, напряжённости магн. поля Н эл--магн. волны и обратно пропорциональна скорости ультразвука, плотности проводника r и частоте; кроме того, она зависит от соотношения глубины скин-слоя и длины упругой волны. Поляризация поперечного ультразвука, возбуждаемого fⁱ, совпадает с направлением Н.

В чистых металлах при низких темп-pax энергию, приобретённую от эл--магн. волны, электроны передают решётке на расстояниях порядка длины свободного пробега, к-рая может существенно превышать толщину скин-слоя. Прямое воздействие электрич. поля Е эл--магн. волны на решётку в скин-слое оказывается при этом нескомпенсированным, результатом чего является возникновение силового диполя

где п - концентрация электронов, s₀ - статич. проводимость. Поляризация поперечного ультразвука, возбуждаемого f ^d, совпадает с направлением Е. Деформационная сила, проявляется при нелокальной связи между плотностью наведённого в проводнике тока и Е за счёт пространственной дисперсии проводимости (ss₀). Частным случаем деформационного взаимодействия служит поверхностный механизм, обусловленный диффузным рассеянием электронов на границе проводника. Поле Н₀, локализуя электроны проводимости в пределах ларморовского радиуса, уменьшает эффективность деформационного механизма ЭМАП и изменяет направление поляризации возбуждаемого поперечного ультразвука. Сила Стюарта - Толмена

где т - масса свободного электрона, возникает из-за того, что электроны под действием эл--магн. волны движутся относительно кристаллич. решётки, к-рая колеблется и представляет тем самым неинерциальную систему.

Эффективность генерации ультразвука за счёт индукционного механизма в условиях тонкого по сравнению с длиной упругой волны скин-слоя,

определяется отношением скорости звука s к скорости света с и отношением плотности энергии магн. поля к модулю упругости металла. Эффективности ЭМАП за счёт деформационного и стюарт-толменовского механизмов, как правило, существенно ниже эффективности ЭМАП в случае индукционного механизма.

В магнитоупорядоченных средах наряду с индукционным взаимодействием, модифицированным наличием магн. подсистемы, проявляются механизмы ЭМАП, обязанные изотропной и анизотропной магнитострикции g. Все процессы, обусловливающие намагничивание вещества, сказываются и в ЭМАП, в частности, возбуждение ультразвука происходит за счёт смещения доменных границ и за счёт вращения намагниченности в доменах. Эффективность магнитоупругого механизма ЭМАП в проводящем изотропном магнетике

где М-намагниченность, m - магн. проницаемость, c - магн. восприимчивость. Магнитоупругий механизм ЭМАП наиб. эффективен в области перехода металла из парамагнитного в ферромагн. состояние. Пик генерации в этой области обязан резкому изменению с температурой М, m и c в точке Кюри. Зависимости ЭМАП от магн. поля в ферромагн. состоянии проводника, как правило, существенно немонотонны. В слабых магн. полях доминирует магнитоупругий механизм, эффективность к-рого достигает максимума в области изменения наклона кривой намагничивания. В сильных магн. полях осн. роль играет индукционный механизм, что приводит к линейной зависимости амплитуды генерации от Н₀ (рис. 3).

ЭМАП используется для изучения связей между электронной, спиновой и упругой подсистемами проводников, а также для измерения скорости и затухания акустич. волн в твёрдых телах. Достоинство этого метода - возможность проведения бесконтактных акустич. измерений и ультразвукового неразрушающего контроля в широком интервале частот и температур. Генерация ультразвука эл--магн. волнами наблюдается в металлах и полупроводниках, в сверхпроводящих и магнитоупорядоченных средах. Для изучения упругих свойств диэлектриков этим методом на их поверхность наносят тонкий проводящий слой ("искусственный" скин-слой). На основе ЭМАП созданы скоростной контроль однотипных металлич. изделий, толщинометрия горячего проката, контроль адгезии непроводящих покрытий и сварных соединений.

Рис. 3. Зависимость амплитуды генерации поверхностной ультразвуковой волны в поликристалле железа от Н₀. В слабых полях доминирует магни-тоупругий механизм ЭМАП (штриховая линия), наличие двух пиков связано с обращением в нуль магнитострикции при некотором значении поля. В сильных полях преобладает индукционный механизм (пунктир).

Литература по

Конторович В. М., Глуцюк А. М., Преобразование звуковых и электромагнитных волн на границе проводника в магнитном поле, "ЖЭТФ", 1961, т. 41, с. 1195; Каганов М. И., Фикс В. Б., Возбуждение звука током в металлических пленках, "ФММ", 1965, т. 19, с. 489; Dobbs E. R., Electromagnetic generation of ultrasonic waves, "Phys. Acoustics. Principles and Methods", 1973, v. 10, p. 127; Frost H. M., Electromagneticultrasound transducers: principles, practice and applications, ibid, 1979, v. 14, p. 179; Бу-чельников В. Д., Васильев А. Н., Электромагнитное возбуждение ультразвука в ферромагнетиках, "УФН", 1992, т. 162, № 3, с. 89. А. Н. Васильев.

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира