Zjawiska fizyczne wykorzystywane w czujnikach i nastawnikach urządze. dzeń mechatronicznych

Transkrypt

1 Zjawiska fizyczne wykorzystywane w czujnikach i nastawnikach urządze dzeń mechatronicznych

2 Zjawisko fizyczne Zjawisko fizyczne przemiana, na skutek której zmieniają się tylko właściwości fizyczne ciała lub obiektu fizycznego, natomiast właściwości chemiczne pozostają bez zmian. Zjawisko fizyczne to zmiany i procesy zachodzące dookoła nas w przyrodzie, np. topnienie lodu. Aby zjawiska fizyczne mogły zajść, potrzebna jest siła. Siłami są różne oddziaływania, np. oddziaływania podstawowe jak oddziaływanie elektryczne, magnetyczne, grawitacyjne lub oddziaływania pochodne, np. międzycząsteczkowe czy tarcie.

3 Indukcja elektromagnetyczna Indukcja elektromagnetyczna - zjawisko powstawania siły elektromotorycznej w przewodniku na skutek zmian strumienia pola magnetycznego.

4 Zmiana ta może być spowodowana zmianami pola magnetycznego lub względnym ruchem przewodnika i źródła pola magnetycznego. Zjawisko to zostało odkryte w 1831 roku przez angielskiego fizyka Michała Faradaya. - + B Układ składa się z pętli połączonej z galwanometrem, oraz solenoidu połączonego ze źródłem prądu stałego. Pętlę możemy: poruszać zarówno w kierunku pionowym jak i poziomym, możemy również zmieniać jej kształt możemy ją obracać względem osi poziomej.

5 Zjawisko piezoelektryczne Zjawisko piezoelektryczne lub efekt piezoelektryczny zjawisko fizyczne polegające na: mechanicznej deformacji kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego (zjawisko piezoelektryczne odwrotne), powstawaniu na przeciwległych ścianach kryształów ładunków elektrycznych przeciwnego znaku w wyniku deformacji kryształu (zjawisko piezoelektryczne proste). Zjawisko piezoelektryczności zostało odkryte w 1880 r. przez francuskich fizyków noblistę Piotra i jego brata Jacquesa Curie.

6 zjawisko piezoelektryczne

7 Zjawisko elektrostrykcji Elektrostrykcja jest zjawiskiem polegającym na zmianie wymiarów materiału pod wpływem pola elektrycznego (napięcia). generator Deformacja ferromagnetyka pod wpływem pola elektrycznego

8 Zjawisko to charakteryzuje się tym, że zmiana wymiarów zachodzi w jednym kierunku, niezależnie od kierunku przyłożonego pola elektrycznego (zjawisko proste). Dipole w materiałach elektrostrykcyjnych ułożone są w sposób przypadkowy. Wpływa to przy znacznej liczbie dipoli na uśrednienie wypadkowej wartości polaryzacji do zera. Z powyższego powodu zachodzi konieczność polaryzowania materiałów elektrostrykcyjnych.

9 Zjawisko magnetostrykcji Magnetostrykcja - zjawisko zmiany kształtu i rozmiarów materiałów magnetycznych pod wpływem pola magnetycznego lub przeciwnie zjawisko zmiany własności magnetycznych pod wpływem przyłożonej z zewnątrz siły wynika z samorzutnej deformacji prowadzącej do zmniejszenia energii anizotropii. generator Deformacja ferromagnetyka pod wpływem pola magnetycznego

10 Zjawisko magnetostrykcji zostało odkryte przez Jamesa Joula w Efekt odwrotny nazywa się zjawiskiem Villari ego, od nazwiska jego odkrywcy. Zmiana rozmiarów pod wpływem pola magnetycznego może mieć charakter liniowy lub objętościowy. Efekt magnetostrykcji jest wykorzystywany m.in. w generatorach ultradźwięków. Zjawisko odwrotne do magnetostrykcji wykorzystuje się w precyzyjnych czujnikach ciśnienia i naprężenia.

11 Efekt Halla Efekt Halla to zjawisko fizyczne, odkryte w 1879 roku przez Edwina H. Halla. Polega on na wystąpieniu różnicy potencjałów w przewodniku, w którym płynie prąd elektryczny, gdy przewodnik znajduje się w poprzecznym do płynącego prądu polu magnetycznym.

12 Napięcie to, zwane napięciem Halla, pojawia się między płaszczyznami ograniczającymi przewodnik prostopadle do płaszczyzny wyznaczanej przez kierunek prądu i wektor indukcji pola magnetycznego. Jest ono spowodowane działaniem siły Lorentza na ładunki poruszające się w polu magnetycznym. napięcie Halla pole magnetyczne pole elektryczne półprzewodnik przyłożone napięcie

13 Zjawisko Gaussa (magnetorezystancja( magnetorezystancja) Magnetoopór, także zjawisko Gaussa - zjawisko polegające na zmianie oporu metali i półprzewodników pod wpływem pola magnetycznego. W polu magnetycznym tor cząstki naładowanej zakrzywia się, więc droga, jaką pokonuje cząstka ulega wydłużeniu. Objawia się to zmniejszeniem natężenia prądu (wzrostem oporu). Zjawisko Gaussa wykorzystywane jest do pomiaru natężenia pola magnetycznego.

14 Istnieje kilka rodzajów efektu magnetorezystancyjnego: GMR - gigantyczna magnetorezystancja, TMR - tunelowa magnetorezystancja, CMR - kolosalna magnetorezystancja, BMR - balistyczna magnetorezystancja, EMR - nadzwyczajna magnetorezystancja, AMR - anizotropowa magnetorezystancja.

15 Gigantyczny magnetoopór (gigantyczna magnetorezystancja) (GMR z ang. Giant MagnetoResistance) zjawisko kwantowomechaniczne polegające na powstawaniu bardzo dużego (olbrzymiego) magnetooporu na cienkich warstwach wielokrotnych F/(NF/F)xN (N-liczba powtórzeń dwuwarstwy, F-ferromagnetyk, NF-diamagnetyk), odkryte przez grupę badawczą Baibicha w 1988 r. Zjawisko magnetooporu jest wykorzystywane w głowicach odczytu twardych dysków i magnetycznych pamięciach MRAM. Pierwszy raz zostało zastosowane w urządzeniu komercyjnym przez IBM w 1997 roku. Za niezależne odkrycie efektu GMR Francuz Albert Fert i Niemiec Peter Grünberg otrzymali w 2007 roku Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki.

16 Co to jest GMR? Elektrony są rozpraszane z różnym prawdopodobieństwem w zależności od ich spinu Układ warstw możemy modelowo zastąpić układem oporników

17 Anizotropowy magnetoopór (AMR Anisotropic Magneto Resistance), zwany także anomalią zjawiska magnetorezystancyjnego jest zjawiskiem występującym w metalach i stopach ferromagnetycznych, objawiającym się zmianą oporności pod wpływem zmiany orientacji namagnesowania materiału względem kierunku płynącego przez niego prądu. Zjawisko anizotropowego magnetooporu charakteryzuje się tym, że zmiany oporu elektrycznego zachodzą w znacznie mniejszych natężeniach pola magnetycznego, niż ma to miejsce w przypadku zwyczajnego magnetooporu.

18 Zjawisko magnetooporu jest wykorzystywane w głowicach odczytu twardych dysków i magnetycznych pamięciach MRAM. Pierwszy raz zostało zastosowane w urządzeniu komercyjnym przez IBM w 1997 roku. Za niezależne odkrycie efektu GMR Francuz Albert Fert i Niemiec Peter Grünberg otrzymali 9 października 2007 roku Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki.

19 Efekt Wieganda Efekt Wieganda to zjawisko fizyczne odkryte przez Johna R. Wieganda. Specjalny drut z rdzeniem z materiału magnetycznie miękkiego oraz otulinie z materiału magnetycznie miękkiego, nazwany drutem Wieganda, posiada dzięki swojej budowie bistabilną charakterystykę magnesowania. W skład czujnika wchodzi także cewka, a w trakcie przemagnesowywania drutu zachodzi skok Barkhausena. Zjawisko to znalazło zastosowanie w wielu czujnikach pomiarowych, a zaletą jego jest m.in. brak napięcia zasilającego czujnik oraz zakres pracy od -70 C do +200 C.

20 Zjawisko termoelektryczne Zjawisko termoelektryczne - efekt bezpośredniej transformacji napięcia elektrycznego występującego między dwoma punktami układu ciał na różnicę temperatur między tymi punktami, lub odwrotnie: różnicy temperatur na napięcie elektryczne. Termopara

21 W zależności od kierunku transformacji zjawiska termoelektryczne dzieli się na: zjawisko Seebecka - powstanie siły termoelektrycznej w zamkniętym obwodzie składającym się z dwóch różnych metali, o ile miejsca styku tych metali znajdują się w różnych temperaturach, efekt Peltiera -gdy prąd elektryczny przepływa, przez miejsce złączenia dwóch różnych metali, to zależnie od kierunku przepływu złącze to nagrzewa się lub oziębia, zjawisko Thomsona - nagrzewanie lub oziębianie pod wpływem przepływu prądu występujące również w jednorodnym przewodniku, którego końce znajdują się w różnych temperaturach.

22 Zjawisko Seebecka Zjawisko Seebecka zjawisko termoelektryczne polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie zawierającym dwa metale lub półprzewodniki gdy ich złącza znajdują się w różnych temperaturach. Odkryte w 1821 roku przez fizyka niemieckiego (pochodzenia estońskiego) Th. J. Seebecka. Zjawisko to jest wykorzystywane m.in. w termoparze.

23 Efekt Peltiera Efekt Peltiera jedno ze zjawisk termoelektrycznych w ciałach stałych, polega na wydzielaniu lub pochłanianiu energii, pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez złącze. W wyniku pochłaniania energii na jednym złączu i wydzielania energii na drugim, pomiędzy złączami powstaje różnica temperatur. Jest odwrotne do efektu Seebecka. Zjawisko po raz pierwszy zostało zaobserwowane w 1834 roku przez Jeana Peltiera.

24 Zjawisko Thomsona Zjawisko Thomsona należy do zjawisk termoelektrycznych. Zostało odkryte w 1856 roku przez Williama Thomsona, lorda Kelvin. Polega na wydzielaniu się lub pochłanianiu ciepła podczas przepływu prądu elektrycznego (tzw. ciepła Thomsona) w jednorodnym przewodniku, w którym istnieje gradient temperatury. Ilość wydzielonego/pochłoniętego ciepła jest proporcjonalna do różnicy temperatury, natężenia prądu i czasu jego przepływu, a także od rodzaju przewodnika. Zjawisko Thomsona dotyczy jedynie wydzielania i pochłaniania ciepła - nie powoduje wydzielania się sił termoelektrycznych.

25 Zjawisko termooptyczne Zjawisko termooptyczne polega na zmianie koloru odbijanego światła przez materiał w zależności od jego temperatury. Zastosowania własności termooptycznych - indykatory temperatury (zmieniające kolor przy ściśle określonej temperaturze).

26 Efekt Pockelsa (fotospręż ężystość) Efektem Pockelsa nazywa się liniowy efekt elektrooptyczny, czyli inaczej mówiąc dwójłomność wymuszoną. Zjawisko polega na zmianie współczynnika załamania światła proporcjonalnie do zewnętrznego pola elektrycznego. Występuje tylko w kryształach, które nie wykazują symetrii inwersji (a więc wykazują efekt piezoelektryczny). Aby zaobserwować efekt Pockelsa należy przyłożyć pole elektryczne do kryształu równolegle do propagującego się promienia światła. Efekt został odkryty przez Friedricha Carla Alwina Pockelsa w 1893 roku.

27 Zjawisko fotowoltaiczne Zjawisko fotowoltaiczne (efekt fotowoltaiczny) - zjawisko polegające na powstaniu siły elektromotorycznej w ciele stałym pod wpływem promieniowania świetlnego. W związku z tym należy do zjawisk fotoelektrycznych wewnętrznych. Zjawisko fotowoltaiczne jako pierwszy zauważył w roku 1839 Aleksander Edmund Becquerel. Zjawisko to jest wykorzystywane w ogniwach fotowoltaicznych, które coraz częściej zastępują inne rodzaje źródeł energii.

28 Zjawisko Faradaya Zjawisko Faradaya (zjawisko magnetooptyczne) polega na obrocie (o pewien kąt) płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo w czasie przechodzenia światła przez ośrodek, w którym istnieje pole magnetyczne. Zjawisko zostało odkryte przez Michaela Faradaya w 1845 r. i było pierwszym eksperymentem ujawniającym związek światła z magnetyzmem.

29 Efekt fotoelektryczny Efekt fotoelektryczny (zjawisko fotoelektryczne, fotoefekt) zjawisko fizyczne polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu (zjawisko fotoelektryczne zwane również zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym dla odróżnienia od wewnętrznego); przeniesieniu nośników ładunku elektrycznego pomiędzy pasmami energetycznymi (tzw. zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne), w wyniku naświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym) o odpowiedniej częstotliwości, zależnej od rodzaju przedmiotu.

30 Emitowane w zjawisku fotoelektrycznym elektrony nazywa się czasem fotoelektronami. Energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy od natężenia światła a jedynie od jego częstotliwości. Gdy oświetlanym ośrodkiem jest gaz, zachodzi zjawisko fotojonizacji, gdy zachodzi zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne mówi się o fotoprzewodnictwie. Efekt fotoelektryczny jest powszechnie wykorzystywany w fotokomórkach, bateriach słonecznych, fotopowielaczach, noktowizorach, elementach CCD w aparatach cyfrowych, fotodiodach, itd.

31 Zjawisko fotoprzewodnictwa Fotoprzewodnictwo jest to zmiana przewodnictwa elektrycznego materiału pod wpływem promieniowania świetlnego. Ma ono miejsce gdy energia fotonów promieniowania świetlnego padającego na półprzewodnik jest większa niż szerokość pasma zabronionego następuje przechodzenie elektronów do pasma przewodnictwa i zwiększenie się konduktywności półprzewodnika. Największa długość fali promieniowania wywołującego efekt fotoprzewodnictwa nazywa się długość progową fali i jest zależna od szerokości pasma zabronionego półprzewodnika.

32 Efekt Dopplera Efekt Dopplera -zjawisko obserwowane dla fal, polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości wysyłanej przez źródło fali oraz zarejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem źródła fali. Dla fal rozprzestrzeniających się w ośrodku, takich jak na przykład fale dźwiękowe, efekt zależy od prędkości obserwatora oraz źródła względem ośrodka, w którym te fale się rozchodzą. W przypadku fal propagujących się bez udziału ośrodka materialnego, jak na przykład światło w próżni (w ogólności fale elektromagnetyczne), znaczenie ma jedynie różnica prędkości źródła oraz obserwatora.

33 nieruchome źródło dźwięku f s = f o częstotliwość f s częstotliwość f o nieruchome źródło dźwięku nieruchomy obserwator

34 źródło dźwięku porusza się w kierunku obserwatora f o > f Obserwator słyszy zwiększony poziom dźwięku (krótsza długość fali) s częstotliwość f s częstotliwość f o ruchome źródło dźwięku nieruchomy obserwator

35 źródło dźwięku porusza się od obserwatora f o < f s Obserwator słyszy zmniejszony poziom dźwięku (dłuższa długość fali) częstotliwość f o częstotliwość f s nieruchomy obserwator ruchome źródło dźwięku

36 Efekt Coriolisa Efekt Coriolisa - efekt występujący w obracających się układach odniesienia. Dla obserwatora pozostającego w obracającym się układzie odniesienia, objawia się zakrzywieniem toru ciał poruszających się w takim układzie. Zakrzywienie to zdaje się być wywołane jakąś siłą, tak zwaną siłą Coriolisa. Siła Coriolisa jest siłą pozorną, występującą jedynie w nieinercjalnych układach obracających się. Dla zewnętrznego obserwatora siła ta nie istnieje. Dla niego to układ zmienia położenie a poruszające się ciało zachowuje swój stan ruchu zgodnie z I zasadą dynamiki.

37 1. Dla nieruchomego obserwatora kulka porusza się po prostej nie działa żadna siła (rys. górny) 2. Dla obserwatora na tarczy kulka zakręca pod wpływem siły Coriolisa (rys. dolny)