文 | 古梦今说
编辑 | 古梦今说
-＜磁电耦合＞-
智能电网，被称为下一代电力系统，被认为是对传统电网的一次重大革命。
目前还没有统一的智能电网概念，但对基本能源供应的关键要求已经达成了共识：高效可靠的电力传输和分配。
众所周知，目前的电力系统变得越来越复杂，因为世界各地的电力供应需求不断增加。
接下来，小梦将为大家讲述银层状复合材料的异质结构，是如何增强磁电耦合转换效能的。
由于现代技术的普及程度低，传统的电网存在着过载、能量损失和需求响应缓慢等问题，这在一定程度上影响了电能的有效供应。
相比之下，智能电网可以在合理的数据统计分析的基础上提供更科学的电力管理和更准确的电力分配。
在智能电网情况下，输电线路和关键网络节点的在线监测至关重要，它可以有效提高电力系统的可靠性。
准确和实时的电网状态信息可以大大降低意外停电的成本和生产力的损失。
全面的信息推动了更好的决策：准确的故障诊断、快速的需求反应和精确的负荷控制。
也就是说，先进的传感系统在智能电网的建设中发挥着重要作用。
虽然传统的传感器（如霍尔器件和罗戈斯基线圈）可以实现信号处理的基本功能，但在实际应用中，连续供电和低精度等问题日益暴露。
在这种情况下，基于功能材料的新型传感装置以其更简单的结构、更广泛的范围和更高的精度成为满足智能电网需求的一种有前途的方法。
自2001年以来，多铁磁电（ME）材料因其在多功能传感设备中的潜在应用，以及巨大的设计灵活性和高的ME转换效率，刺激了急剧增加的研究活动。
磁致伸缩-压电层压复合材料也是应运而生，实验结果表明，ME电压系数随着PZT层的厚度减少和压电电压常数增加而增加。
在室温下获得的最高ME电压系数上升到4.68V/cm⋅Oe，基于Metglas/PZT/Metglas层压材料，设计的ME电流传感器，用于检测载流线圈中的低电流。
磁致伸缩压电复合材料（Tb0.3y0.7Fe1.92/NdFeB/epoxy/PZT）中的ME效应，在共振频率下，ME电流传感器的灵敏度为0.53 V/A，当应用电流的工作范围为0-5 A时，非线性小于0.5%。
由于具有无磁偏压和宽频带的优点，他们生产的同心环形状的ME传感器可以达到2.77 V/cm⋅ Oe的高ME系数和185 mV/A的谐振频率的线性电流灵敏度。
此外，一个由自偏压复合材料和纳米晶通量集中器组成的自主电流感应系统，所提出的传感器在50赫兹时的线性灵敏度为152 mV/A，有0.01%的轻微非线性。
然而，上述ME传感器都是通过结合巨型磁致伸缩材料和压电材料获得的。
由于制造成本高和磁滞现象，巨磁致伸缩材料在传感器的广泛应用上有很大的局限性。
特别是，由PZT/银复合材料的银电极内的涡流诱导的新的ME耦合器。最终只用一个简单的压电单体弯曲器就实现了ME能量转换，不需要磁相。
与压电陶瓷PZT相比，压电聚合物（PVDF）具有更大的压电电压常数、更小的介电常数和更低的弹性模量，被认为具有更优异的压电性能，可进一步加强ME耦合效应。
PVDF具有压电常数大、频率响应范围宽、机械强度高、弹性好等优点，近年来被广泛应用于能量采集和传感器监测领域。
金属/压电异质结构内的ME耦合效应，由该结构两个分别涂在PVDF层上下表面的银层组成。
通过测量输出电压与外加交流磁场频率的关系，首先确定了测量系统的谐振频率，以获得最大的ME响应。
然后，进一步验证了ME效应在层状样品（银/PVDF/银）中的存在，这是在直流偏置磁场下通过压电效应和涡流引起的安培力的耦合实现的。
随着直流磁场的增加，当样品受到特定的交流磁场时，由安培力引起的ME电压在共振频率上线性增加。
当受到特定的直流磁场时，样品的ME电压也显示出对交流磁场的强烈线性响应。
因此，在共振频率下可以得到ME电压系数，在振幅为1000Oe的直流磁场下达到α=299.97 mV/cm⋅Oe。
此外，建立了ME能量转换的理论模型，该模型与实验结果非常吻合。
因此，通过观察ME电压，可以实现交流和直流磁场的感应。
未来的工作将致力于监测导线中的电流，预计这将通过检测导线周围的磁场来实现。
由于具有良好的线性响应和较高的ME电压系数，所提出的ME复合材料不需要磁致伸缩相位和电源，对应用于智能电网的在线监测传感器很有前景。
-＜样本实验＞-
A. 样品制备
所选的薄膜是一种三层复合材料，包括一个PVDF核心层和两层镀银电极。
聚合物PVDF的相对介电常数约为9.5，弹性模量为2500MPa。
被测试的样品被切割成一个矩形片（厚度为40微米，长度为40毫米，宽度为10毫米），然后对其边缘进行处理以避免厚度方向的短路。
下图显示了被测试的样品在交流和直流磁场下的示意图。交流磁场垂直于样品的表面，而直流磁场则平行于样品的表面。
B. 磁电实验
在ME测量的实验装置中，样品被垂直地悬挂在空气中，其顶部被夹在一个样品支架上。
然后，样品架被放置在由直流源驱动的电磁铁的两极之间，用来产生直流磁场（Hdc ），允许最大振幅为3500欧。
应用的交流磁场（hac）是正弦波，可由一个与电源（NJFNKJ，HEAS 20）连接的亥姆霍兹线圈（最大振幅：30 Oe）产生。
一个特斯拉计（CH-HALL，1500型）被用来测量磁场的值。当交流磁场穿透层状样品时，通过法拉第效应在银电极内诱发涡流。
在直流偏置磁场的作用下，产生了安培力来作用于压电相，导致ME电压的出现。最后，输出电压由一个数据采集设备（CH-HALL, NET）测量。
-＜结果讨论＞-
A. 共振频率的测量
为了实现最大的ME响应，首先要确定测量系统的谐振频率。
下图显示了当施加的交流磁场振幅（Hac）分别保持在6和10欧时，所制备的样品在不同的Hdc值800、1200和1600欧时，输出电压与施加的交流磁场频率的变化。
从两幅图中可以看出，六条曲线表现出大致相同的变化趋势，这表明了实验结果的可靠性。
同时，六条曲线在1200赫兹左右的频率上达到峰值，因此可以得到ME系统的共振频率为1200赫兹。
B. 磁电反应
在三层复合材料（银/PVDF/银）中观察到的输出电压（Vout）可能是两个不同贡献的总和：第一个是交流磁通（ΦB）渗透到实验回路的封闭轮廓产生的寄生电压（eB），它是由连接样品和数据采集装置的两根导线组成的。
根据法拉第定律，样品的电极之间会出现电位差，可以表示为eB=-dΦB/dt。第二个贡献可能来自于真正的ME电压（VME），由于银电极内存在涡流。
当金属电极表面受到交流磁通Φac=∫∫Aμ0hac⋅dA ，感应电动势（e）通过法拉第方程出现在同心环周围： e=-Φac/dt=-jωμ0Ahac，从而导致电极中出现涡流。
在直流偏置磁场的作用下，安培力被产生并转移到压电层，导致VME的产生。通过使用叠加定理，可以写出总的Vout：
为了验证上述猜想的合理性，应当测量了不同条件下的ME响应。
下图显示了不施加交流磁场时，在共振频率下Vout与Hdc的变化情况。可以看出，Vout非常弱，没有明显的趋势，这在一定程度上可以被忽略。
图（b）表示在不同的Hdc值下，Vout是Hac的函数。当没有施加直流偏置磁场时，压电对测量的Vout的贡献是空的，测量的Vout的Hac依赖性证实了它只是由于环路效应而不是ME耦合。
应该强调的是，由于ΦB的存在，eB总是存在的，其大小只与Hac和共振频率下受ΦB影响的封闭轮廓的有效面积有关。
很明显，同样的寄生效应发生在Hdc值为+200 Oe时，两条曲线之间的差值相当于真正的ME电压，占Vout的很大一部分。
图(c）显示了真正的VME和振幅为6 Oe、频率为1200 Hz的参考hac在样品受到+200 Oe振幅的Hdc影响时的波形。
在Hdc的作用下，hac和VME之间稳定的信号转换是很明显的。正如（3）所预期的，由于涡流ied和hac的频率一致，VME的频率与hac的频率相同。
此外，理论推导中的ied和hac的相位角差为90°，导致图4(c)中VME和hac的相位角差相同。
因此，上述ME响应可以清楚地证明，PVDF单晶硅弯管有相当大的ME效应，这主要是由于涡流产生的安培力的出现。
如下图所示，当分别施加振幅为2和4Oe的不同交流磁场时，样品的实验VME在共振频率上对Hdc显示出强烈的线性反应。
这种现象可以解释如下：当银电极中存在涡流时，每个电流环（L ）在其上局部诱发一个无限小的动态安培力（d F ），该力表示为矢量积：
下图显示了所提出的复合材料在邻近区域的ME电压系数随交流磁场间隔2 Oe的变化情况。
可以清楚地看到，当施加的Hdc分别为+1000和-1000 Oe时，两条折线上的大多数数据都在200和400 mV/cm⋅ Oe之间。
因此，通过计算两条折线的平均值可以得到ME电压系数，在谐振频率下达到α=299.97 mV/cm⋅Oe。
可以看出，与颗粒状复合材料和单相样品相比，多层复合材料显示出较大的ME电压系数。
尽管在这项工作中获得的ME电压系数可能不够高，但由于其高性价比，相当大的ME效应对于多功能传感器的应用是非常有希望的。
-＜结论＞-
由核心层PVDF和两层镀银电极组成的三层ME复合材料中的ME耦合效应，进一步验证了ME效应在层状样品（银/PVDF/银）中的存在。
它是通过压电效应和直流偏置磁场下涡流引起的安培力的耦合来实现。随着直流磁场的增加，当样品受到特定的交流磁场时，由安培力引起的ME电压在共振频率上线性增加。
当受到特定的直流磁场时，样品的ME电压也显示出对交流磁场的强烈线性响应。
因此，在共振频率下可以得到ME电压系数，在振幅为1000Oe的直流磁场下达到α=299.97 mV/cm⋅Oe。
此外，建立了ME能量转换的理论模型，与实验结果很吻合。
该ME复合材料的特点总结如下：在不需要磁致伸缩相和电源的情况下，三层复合材料仍能产生相当大的ME效应；
具有良好的线性响应，在共振频率下可以获得高的ME电压系数；通过观察ME电压，可以实现交流和直流磁场感应。
这种多功能复合材料的明显的ME响应和低成本结构，对智能电网技术中使用的在线监测传感器的应用很有前景。
