Als erstes wird die Herstellung und Charakterisierung mit einer ferromagnetischen Legierungsschicht aus Nickel, Eisen und Molybdän überzogener Kupferdrähte beschrieben.
Es wird gezeigt, wie sich Parameteränderungen während des Herstellungsprozesses auf den GMI-Effekt (Giant Magnetic Impedance) auswirken. Die Variation der Molybdänkonzentration hat großen Einfluss auf die Oberflächenbeschaffenheit und den GMI-Effekt und während der Beschichtung extern angelegte Magnetfelder beeinflussen ebenfalls den GMI-Effekt, insbesondere die Symmetrie der gemessenen
GMI-Kurve bezüglich des angelegten Magnetfeldes. Als nächstes wird gezeigt, dass der Matteucci-Effekt von dH/dt abhängt und nicht von einem möglichst großen Feld H. Auch entsteht der Matteucci-Peak immer beim selben Magnetfeld für verschiedene
dH/dt. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung des GMI-Effekts bei mechanischer Beeinflussung des Drahtes. Es wird ersichtlich, dass eine Zugbelastung eine irreversible Verringerung des GMI-Effekts zur Folge hat. Eine Torsionsbelastung ist dagegen, wenn sie nicht zu groß ist, teilweise reversibel. Außerdem werden Matteucci-, Wiegand- und GMI-Effekt untereinander verglichen. Die absolut gemessenen Werte
zeigen dabei keinerlei Korrelationen. Vergleicht man die Effekte jedoch im Verlauf des externen Magnetfeldes so existieren Korrelationen bezüglich der Orte von Maxima und Minima der unterschiedlichen Effekte. Im letzten Teil wird gezeigt, dass der Wiegand-Effekt der beschichteten Kupferdrähte die Größenordnung von industriell gefertigten Drähten erreicht.
Im zweiten Teil wird die Konstruktion und Vermessung eines Torsionssensors beschrieben.
Als Material kommt dabei ein amorpher ferromagnetischer Metallstreifen
zum Einsatz. Zunächst wird gezeigt, dass mit solchen Metallstreifen prinzipiell Torsionsmessungen
möglich sind. Danach wird der optimale Messbereich des Sensors mit
der größten Empfindlichkeit bestimmt. Schließlich werden Untersuchungen bezüglich
des Hystereseverhaltens gemacht.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Grundlagen
2.1. Magnetismus
2.1.1. Grundbegriffe, Einheiten und Definitionen
2.1.2. Atomarer Magnetismus
2.1.3. Makroskopische Klassifikation von Stoffen
2.1.4. Ferromagnetismus
2.1.5. Antiferro- und Ferrimagnetismus
2.1.6. Domänen, Blochwände und Néelwände
2.1.7. Hystereseeffekte
2.2. Magnetische elektrodynamische Effekte
2.2.1. Der Matteucci-Effekt
2.2.2. Der Wiegand-Effekt
2.2.3. Der GMI-Effekt
2.3. Elektrolytisches Galvanisieren
3. Magnetische Effekte an beschichteten Kupferdrähten
3.1. Probenherstellung
3.1.1. Reinigung der Drähte
3.1.2. Herstellung des Elektrolyts
3.1.3. Beschichtung der Kupferdrähte
3.1.4. Technischer Aufbau der Beschichtungszelle
3.1.5. Zusammenfassender Überblick
3.1.6. Struktur der beschichteten Drähte und Bestimmung der Schichtmasse
3.2. Experimenteller Aufbau und Datenerfassung
3.2.1. Der GMI-Messplatz
3.2.2. Der Matteucci- und Wiegand-Messplatz
3.3. Ergebnisse und Diskussion
3.3.1. Abhängigkeit der Oberflächenstruktur und des GMI-Effekts von der Molybdän-Konzentration
3.3.2. Einfluss externer Magnetfelder während der Beschichtung auf die Symmetrie der GMI-Effekt-Kurve
3.3.3. Der Matteucci-Effekt bei konstantem und variierendem dH/dt
3.3.4. Auswirkung mechanischer Belastung des Drahtes auf den GMI-Effekt (Zug- und Torsionsbelastung)
3.3.5. Vergleich von Wiegand-, Matteucci- und GMI-Effekt
3.3.6. Der Wiegand-Effekt an verschiedenen Drahttypen
4. Torsionssensoren aus amorphen ferromagnetischen Streifen
4.1. Schematischer Aufbau der Sensoren und ihre Wirkweise
4.1.1. Aufbau des Sensors
4.1.2. Wirkweise des Sensors
4.2. Sensorherstellung
4.3. Experimenteller Aufbau und Datenerfassung
4.4. Ergebnisse und Diskussion
4.4.1. Bestimmung des optimalen Messbereichs
4.4.2. Untersuchung auf Hystereseeffekte
5. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Herstellung, Vermessung und Optimierung von magnetischen Sensoren auf Basis von beschichteten Kupferdrähten sowie von Torsionssensoren aus amorphen ferromagnetischen Metallstreifen, um deren magnetische Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten zu evaluieren.
- Herstellung von Sensoren mittels elektrolytischer Metallabscheidung
- Charakterisierung des GMI-Effekts (Giant Magnetic Impedance)
- Analyse von Matteucci- und Wiegand-Effekten in Kupferdrähten
- Einfluss mechanischer Belastung (Zug und Torsion) auf magnetische Kennwerte
- Konstruktion und Vermessung von Torsionssensoren aus amorphen Streifen
Auszug aus dem Buch
2.1.1. Grundbegriffe, Einheiten und Definitionen
Zu Beginn ist es wichtig, die grundlegenden Begriffe und Einheiten zu definieren. Für die meisten Bereiche verwendet man die sogenannten SI Einheiten (kg, m, s, A). Insbesondere auf dem Gebiet des Magnetismus sind jedoch immer noch die Gauß’schen Einheiten des cgs-Systems (cm, g, s) gebräuchlich. Auch in dieser Arbeit werden diese Einheiten verwendet. Bei den nun folgenden Definitionen werden immer sowohl die SI- als auch die Gauß-Einheiten angegeben.
1820 entdeckte Ampère, dass zwei parallele, stromdurchflossene Leiter Kräfte aufeinander ausüben. Da diese Leiter nach außen hin ungeladen waren, konnte die Kraft nicht von einem elektrischen Feld kommen. Dementsprechend ordnete man ihre Ursache einem anderen Feld zu, dem Magnetfeld. Die magnetische Feldstärke wird mit H bezeichnet. Sie kennzeichnet die Stärke eines Magnetfelds. Für die Einheiten gilt: [H] = 1 A/m = 4π · 10^-3 Oe = 4π · 10^-3 Oersted.
Zur anschaulichen Darstellung magnetischer Felder bedient man sich oft dem Mittel der magnetischen Feldlinien (siehe Abbildung 2.1). Diese laufen immer von Nord nach Süd, stoßen sich gegenseitig ab und können sich nie schneiden. Der Hauptunterschied zu elektrischen Feldlinien liegt darin, dass die magnetischen Feldlinien immer geschlossen sind. Der Grund dafür ist die Tatsache, dass es keine magnetischen Monopole gibt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung stellt die Bedeutung magnetischer Sensoren dar und erläutert die Ziele der Arbeit, bestehend aus der Entwicklung beschichteter Kupferdrähte sowie Torsionssensoren.
2. Grundlagen: In diesem Kapitel werden die theoretischen Voraussetzungen über Magnetismus, verschiedene magnetische Effekte (GMI, Matteucci, Wiegand) sowie die physikalischen Prinzipien der elektrolytischen Metallabscheidung dargelegt.
3. Magnetische Effekte an beschichteten Kupferdrähten: Dieses Kapitel beschreibt die experimentelle Herstellung der Drähte durch Galvanisierung sowie die Messung und Analyse verschiedener magnetischer Effekte unter variierenden äußeren Parametern und mechanischen Belastungen.
4. Torsionssensoren aus amorphen ferromagnetischen Streifen: Der Fokus liegt hier auf dem Aufbau und der Charakterisierung eines Torsionssensors, wobei die Wirkweise sowie die Optimierung des Messbereichs und die Untersuchung von Hystereseeffekten behandelt werden.
5. Zusammenfassung und Ausblick: Das Kapitel fasst die gewonnenen Erkenntnisse aus beiden Teilen der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf potenzielle zukünftige Untersuchungen und Verbesserungen der untersuchten Sensortypen.
Schlüsselwörter
Magnetismus, Magnetische Sensoren, GMI-Effekt, Matteucci-Effekt, Wiegand-Effekt, Elektrolyse, Kupferdrähte, Torsionssensoren, amorphe Legierungen, Hysterese, Feldstärke, Magnetisierung, Magnetimpedanz, ferromagnetische Stoffe, Sensorcharakterisierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Herstellung, Vermessung und Charakterisierung von magnetischen Sensoren, die auf verschiedenen ferromagnetischen Materialien basieren.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Zentrale Felder sind der Magnetismus, physikalische Effekte in ferromagnetischen Materialien, die elektrolytische Beschichtung von Drähten sowie die Entwicklung von Sensoren zur Messung von Torsion und Magnetfeldern.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Erforschung und Optimierung von Sensoren aus beschichteten Kupferdrähten und amorphen ferromagnetischen Streifen, um deren magnetische Kennwerte und Empfindlichkeit zu verstehen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es werden sowohl theoretische physikalische Grundlagen des Magnetismus angewandt als auch experimentelle Methoden der Elektrolyse sowie computergestützte Messverfahren zur Signalaufzeichnung und Datenanalyse genutzt.
Was steht im inhaltlichen Fokus des Hauptteils?
Der Hauptteil gliedert sich in die Untersuchung magnetischer Effekte in beschichteten Kupferdrähten (GMI, Matteucci, Wiegand) und die Konstruktion sowie Charakterisierung von Torsionssensoren aus amorphen Streifen.
Welche Schlüsselbegriffe definieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind GMI-Effekt, Matteucci-Effekt, Wiegand-Effekt, Elektrolyse, Magnetfeld, Hysterese und Torsionssensorik.
Wie wirkt sich eine Zugbelastung auf den GMI-Effekt aus?
Die Arbeit zeigt, dass eine Zugbelastung zu einer irreversiblen Verringerung des GMI-Effekts in den beschichteten Kupferdrähten führt.
Wie wurde die Oberflächenstruktur der Drähte analysiert?
Neben der Untersuchung der magnetischen Kennwerte wurden REM-Aufnahmen und EDX-Analysen durchgeführt, um den Einfluss der Molybdän-Konzentration im Elektrolyten auf die Schichtbeschaffenheit zu beurteilen.
- Citation du texte
- Thomas Nentwig (Auteur), 2007, Herstellung und Charakterisierung magnetischer Sensoren basierend auf nanokristallinen und amorphen weichmagnetischen Legierungen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186510
