Принцип действия магнето: причины неисправности, как проверить катушку и настроить узел

причины неисправности, как проверить катушку и настроить узел

Для осуществления запуска силового агрегата необходимо качественное воспламенение горючей смесь, для чего используется высоковольтный заряд. Именно такой заряд позволяет выдавать магнето. Подробнее о том, какой принцип действия этого устройства и в каких случаях необходим ремонт магнето, вы сможете узнать из этой статьи.

Содержание

[ Раскрыть]

[ Скрыть]

Принцип работы магнето

Перед тем, как проверить катушку и отрегулировать ее, давайте разберемся в принципе работы узла. При вращении магнита происходит возбуждение тока в первичной обмотке, которая замкнута с помощью контактов прерывательного устройства. В тот момент, когда сила тока на первичном участке достигает максимального значения, на прерывательном механизме происходит размыкание контактов. Соответственно, это приводит к разрыву первичного тока.

В итоге исчезает и магнитное поле, создающееся с помощью первичного тока. Из-за изменения магнитного поля на вторичном участке цепи происходит образование высоковольтного напряжения. Это напряжение может пробить целый зазор между электродами свечи. Когда ротор магнето продолжает вращаться, это приводит к появлению новой искры.

Раритетное магнето для автомобилей 1920-1930 г.в.

Диагностика технического состояния узла

Что касается диагностики, то она осуществляется следующим образом:

1. Сначала необходимо подключить высоковольтный кабель к выводу напряжения.
2. Второй конец кабеля следует удерживать на расстоянии около 0.5-0.7 см от корпуса устройства.
3. В таком положении провода необходимо резко провернуть ротор по ходу вращения. Если магнето отрегулированное, то в результате поворота ротора между контактом провода и корпусом должна проскочить искра. Если она отсутствие или же слишком слабая, еле заметная, вероятнее всего, устройство нужно проверить на предмет неисправностей и, при необходимости, отрегулировать.

Характерные неисправности и способы их устранения

Теперь рассмотрим основные неисправности магнето:

1. Сбои в искрообразовании. Причин может быть несколько, как и способов их решения. Это окисление или подгорание контактов, нарушение регулировки зазора, износ подушки рычага прерывательного устройства, пробитый конденсаторный элемент. Вышедшие из строя элементы подлежат замене, а разрегулируемые зазоры следует отрегулировать. Если проблема в контактах, их нужно поменять или зачистить.
2. Отсутствие искры. Причина может заключаться в обрыве проводки трансформатора, замыкании на массу либо пробое изоляционного слоя на высоковольтном кабеле. Если проблема в трансформаторе, то узел меняется, если замыкание — то его следует устранить, а если причина заключается в пробое изоляции, то кабель нужно просто поменять.
3. Если же искра слишком слабая, то вероятнее всего, причина заключается в пробитом конденсаторе, который также надо будет поменять.

Фотогалерея «Устройство механизма»

1. Устройство магнето М24-А1

2. Устройство магнето с неподвижным магнитом

Инструкция по разборке и сборке магнето

Чтобы произвести ремонт магнето, его нужно демонтировать и разобрать, для этого выполните следующие действия:

1. Сначала устройство снимается с силового агрегата.
2. Узел нужно тщательно очистить от пыли, а также следов моторной жидкости, если они имеются. Магнето будет грязным, поэтому его надо очистить. Нельзя допустить, чтобы грязь попала на внутренние элементы при разборке устройства.
3. Следующим этапом будет разбор. Используя торцевой ключ, необходимо выкрутить гайку, которая фиксирует автомат опережения зажигания. Демонтируйте этот элемент, после чего извлеките шпонку из паза.
4. Затем защелку немного отвести в сторону, после чего сможете демонтировать крышку прерывательного узла. Для снятия следует открутить еще четыре болтика, которые ее фиксируют.
5. Когда крышка будет демонтирована, ротор можно извлечь из самого корпуса.
6. Завершающим этапом будет откручивание шпилек, которые фиксируют трансформаторный узел. Сделав это, трансформатор можно извлечь из корпуса. Таким образом, вы получили доступ к составляющим элементам магнето. Теперь осуществляется ремонт механизма с заменой всех вышедших из строя компонентов. Для дальнейшей сборки и установки магнето все действия, описанные выше, нужно будет повторить в обратной последовательности.

Особенности регулировки

Регулировка магнето осуществляется, если узел не может выполнять возложенные на него функции, при этом все элементы механизма целый. Настройка магнето производится путем измерения зазора между контактами прерывательного узла, при этом коленчатый вал мотора следует поворачивать за маховик. Вал проворачивается до того момента, пока расхождение контактов будет наибольшим. Отрегулируем зазор путем отпущения болта, фиксирующего контактную стойку и поворота стойку отверстий, которая установлена в прорези эксцентрика.

Когда зазор отрегулирован, необходимо протестировать механизм — это позволит определить правильность проведенного процесса. Если все сделали правильно, то сбоев в искрообразовании удастся избежать.

 Загрузка …

Видео «Подробная инструкция по ремонту и настройке магнето»

Была ли эта статья полезна?

Спасибо за Ваше мнение!

Статья была полезнаПожалуйста, поделитесь информацией с друзьями

Да (80.00%)

Нет (20.00%)

Тракторное магнето

Тракторное магнето можно назвать источником и распределителем электроэнергии в двигателе. Этими устройствами комплектовали многие карбюраторные двигатели. Магнето обеспечивали подачу тока и воспламенение горючей смеси. С выходом этого устройства из строя связаны многие неполадки в работе трактора, поэтому его необходимо правильно обслуживать и своевременно заменять.

Принцип работы тракторного магнето

Основные элементы устройства:

• генератор;
• трансформатор;
• магниты.

Также в состав входит сердечник, ротор, кулачок, выключатель зажигания, конденсатор и высоковольтный кабель. Все детали заключены в оцинкованный корпус.

В основе принципа работы лежит эффект электромагнитной индукции:

1. Сердечник трансформатора обеспечивает замыкание силовых линий магнитов.
2. Появляется магнитный поток.
3. Когда линии вращающегося магнита пересекаются с витками обмоток трансформатора, электродвижущая сила приобретает индукцию.

Функции магнето — в распределении электроэнергии

Настройка устройства

Существует много разновидностей устройства, различающихся по мощности, способу настройки и другим параметрам. Рассмотрим, как производится настройка магнето на тракторе МТЗ. Эти трактора обычно комплектовались устройством М 124-Б1.

При появлении неполадок в первую очередь следует проверить зазор между контактами прерывателя. Это производится посредством особого щупа, входящего в комплект инструментов. Механик медленно проворачивает коленвал за маховик, следя за интервалом между контактами. В тот момент, когда расстояние оказывается наибольшим, нужно проверить зазор, вставив между контактами щуп. Затем следует сверить результат с цифрами, указанными в руководстве по эксплуатации (для каждой модели они свои). Если есть расхождение, нужно отпустить винт крепления контактной стойки и осторожно повернуть саму стойку, вставленную в прорезь эксцентрика.

Владельцев старых тракторов часто заботит вопрос, как настроить магнето на пускаче, точнее, установить угол опережения зажигания. На новых тракторах этот параметр устанавливается на заводе и не нуждается в дальнейшей регулировке. Однако в ходе эксплуатации часто возникает необходимость поставить новое тракторное магнето, купить которое не составляет труда. Или снять его, например, при ремонте двигателя. После этого устройство нужно настроить.

Этапы настройки магнето:

• снять свечу с двигателя;
• через образовавшееся отверстие провернуть коленвал по часовой стрелке до попадания поршня в верхнюю мертвую точку;
• осторожно поворачивая вал обратно, установить поршень на 5-6 мм ниже этой точки;
• снять крышку магнето и поворачивать валик, пока контакты прерывателя не окажутся разомкнутыми;
• обеспечить вход выступов полумуфты точно в пазы шестерни привода;
• закрепить устройство болтами, закрыть крышку;
• ввернуть свечу на место.

Диагностика состояния

После того как регулировка закончена, устройство должно работать нормально. Перед установкой на трактор рекомендуется испытать его на стенде. Если этот способ не подходит, можно попробовать другой способ. Понадобится высоковольтный провод. Один конец нужно подсоединить к выходу высокого напряжения, а другой — зафиксировать на расстоянии около 0,5 см от корпуса магнето. После чего нужно резко повернуть ручку ротора по часовой стрелке. Если магнето правильно отрегулировано, появится искровой разряд.

Схема магнето

Основные неисправности и ремонт тракторного магнето

Как правило, ремонт магнето трактора сводится к замене или настройке отдельных деталей. Кроме того, важно соблюдать рекомендации по обслуживанию. Например, каждые два года следует менять смазку в подшипниках. Для этого потребуется разобрать устройство, полностью стереть имеющуюся смазку и тщательно промыть детали в бензине. После этого детали протирают чистой ветошью и наносят свежую смазку.

Свеча и бронепровод

Колпачок бронепровода — первое, с чего следует начинать диагностику. Опытные механики рекомендуют сразу удалять их и заменять на обычные электрозажимы типа «крокодил». Они надежнее. После колпачка обращают внимание на провод. Часто неполадки кроются в креплении в посадочном гнезде или, как вариант, могут быть проблемы с цоколем. Для проверки подойдет любой провод зажигания. Его нужно зачистить с обеих сторон и проверить на искру. Искра должна высекаться на массу на расстоянии не менее 5 мм. Но в идеале стоит проверить провод на стенде.

Конденсатор

Конденсатор — небольшая, но важная деталь. Он «отвечает» за защиту контактов от обгорания, а ещё повышает напряжение в катушке. Изготавливают этот узел из двух тонких лент алюминиевой фольги и еще двух — из парафинированной бумаги. Как видно, конструкция крайне проста, однако имеет повышенную уязвимость для повреждений. В идеале ленты свернуты и защищены металлическим корпусом. Однако при повреждении изоляции узел быстро выходит из строя, что может привести к ослаблению искры и сбоям в работе двигателя.

Итак, в первую очередь необходимо проверить:

• целостность корпуса;
• целостность изоляции обкладок;
• наличие обрывов соединений;
• утечку тока;
• искрение на контактах прерывателя.

Устройство конденсатора не располагает к ремонту, поэтому его проще всего заменить. В крайнем случае, если новые запчасти недоступны, подойдет автомобильный вариант. Перед установкой потребуется только удалить ненужный крепеж. Недостаток такого варианта — габариты: автомобильный конденсатор больше по размеру, чем нужно, и легко поддается механическим повреждениям. Но как временных вариант эта мера вполне хороша.

Контакт прерывателя

Следующий этап диагностики — проверка контактов прерывателя.В первую очередь, их поверхность должна быть чистой от нагара. Пригоревшие контакты зачищают инструментом непременно с тонкой (так называемой бархатной) насечкой. Если использовать обычную наждачную бумагу, это приведет к обратному результату: поверхности контактов останутся неровными, что вызовет повышенное подгорание и быстрый выход из строя. Зачищать контакты можно до тех пор, пока не нарушена целостность вольфрамового слоя. После этого нужно заменить их на новые.

Далее, контакты должны плотно прилегать друг к другу. Максимальный зазор при размыкании не должен превышать 1,5 мм.

Ещё одна частая проблема — вольфрамовые пластинки со временем отпаиваются. Здесь все просто — взять и припаять обратно. Также необходимо уделить внимание шинке и при необходимости исправить ее или заменить. Заключительный этап — осмотрит изоляции проводов.

Если под рукой нет нормальной изоляции, можно покрыть их лаком для ногтей — звучит странно, но как временная мера очень эффективно.

Катушка или трансформатор

Катушка — один из немногих неремонтопригодных узлов магнето. Зато и ломается она редко. Проблемы обычно кроются в высоковольтной обмотке. Всего обмоток у катушки две: низко- и уже упомянутая высоковольтная. В ней могут начать образовываться короткозамкнутые витки, после чего катушка выходит из строя. Ремонтировать ее бесполезно, проще заменить. После этого нужно зачистить контакты, если нужно, то подпаять места пайки, установить зазоры, и проблема должна быть решена.

Ротор

Ротор — это вращающийся магнит. В процессе эксплуатации он нередко подвергается механическим повреждениям. Они видны сразу. Разбитый ротор нужно заменить, предварительно вычистив корпус от его осколков. Заодно осматривают другие детали: смазывают подшипники и устраняют их люфт.

Важный этап — регулировка эксцентрика (кулачка). Она позволяет добиться оптимального искрообразования и, следовательно, обеспечить нужную силу тока. магнето нужно вращать ослабленный эксцентрик (кулачок) относительно его вала и добиваться наибольшей мощности тока. Процедура проводится на стенде с вращающейся дрелью.

Основные этапы:

• остановить дрель;
• ослабить винт;
• вставить отвертку в пазы кулачка и осторожно повернуть его примерно на 1мм по часовой стрелке;
• затянуть винт;
• включить дрель и проверить искру.

Если искра появляется на расстоянии 5-7 мм до корпуса, все правильно, регулировка магнето закончена. Если нет — все этапы повторяют заново. Полная настройка может занять до часа, однако результатом станет сильная и устойчивая искра.

Заключение

Существуют разные виды устройства, например, магнето МБ 1, ремонт которых производится по общему алгоритму. Это простые и надежные устройства, как правило, не доставляющие хлопот в обслуживании и ремонте. Неполадки с магнето могут привести к перебоям в работе двигателя, зато если поддерживать этот узел в порядке, надежный запуск и устойчивая работа мотора гарантированы.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Магнето

Категория:

   Электрооборудование трактора

Публикация:

   Магнето

Читать далее:

Магнето

На карбюраторных двигателях машин, не имеющих в системе электрооборудования аккумуляторных батарей или работающих в тяжелых эксплуатационных условиях, для зажигания рабочей смеси применяют магнето. Оно представляет собой комбинированный магнитоэлектрический аппарат небольшой мощности, предназначенный для зажигания рабочей смеси электрическим разрядом. Магнето объединяет (рис. 1) генератор переменного тока, прерыватель тока низкого напряжения Пр с конденсатором К, автотрансформатор и распределитель тока высокого напряжения Р.

Работа магнето как электрической системы зажигания имеет некоторые особенности, связанные с рабочим процессом его генератора переменного тока.

Генератор магнето состоит из магнитной системы МС, включающей магнит, магнитопроводы и магнитный коммутатор, а также из обмотки W1.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Магнитную систему генератора образуют боковые стойки — магнитопроводы, между полюсными наконечниками которых вращается постоянный магнит (ротор). Сверху на боковые стойки укладывается сердечник, который и замыкает магнитную цепь стоек. Коммутация магнитного потока осуществляется за счет вращения магнита между наконечниками стоек.

Рис. 1. Принципиальная схема магнето

Вращение магнита изменяет сопротивление магнитной цепи и магнитного потока в сердечнике обмоток.

Магнитное сопротивление зависит от площади, через которую магнитный поток переходит по воздушному зазору от полюсов магнита через полюсные наконечники стоек в сердечник. При горизонтальном положении полюсов магнита магнитное сопротивление минимальное, и через сердечник проходит максимальный магнитный поток Ф.

По мере поворота магнита его полюса выходят из полюсных наконечников стоек, магнитное сопротивление увеличивается, а магнитный поток Ф в сердечнике уменьшается. Если полюса магнита занимают вертикальное положение, то магнитное сопротивление максимальное, магнитная цепь замыкается полюсными наконечниками стоек накоротко и магнитный поток в сердечнике отсутствует.

Направление магнитного потока Ф зависит от положения полюсов N и S магнита относительно полюсных наконечников стоек: магнитные силовые линии выходят из полюса N магнита и через магнитную цепь замыкаются на полюсе S.

Э. д. е., индуктированная в обмотке сердечника, достигает наибольшего значения при максимальной скорости изменения магнитного потока, когда магнит занимает нейтральное (вертикальное) положение, соответствующее углам поворота 90 и 270°.

При замыкании обмотки сердечника индуктированная в ней э. д. с. ех вызывает ток iv Так как обмотка имеет омическое и индуктивное сопротивление, ток отстает от вызвавшей его э. д. с. по фазе и достигает максимума при повороте магнита не на 90 и 270°, а несколько позже (на 8… 10°).

На современных магнето чаще всего применяется двухполюсный магнит, который обеспечивает в генераторе два импульса тока за один оборот. Магнит изготовляют из никель-алюминиевой стали (сплав ЖНА) или оксидно-бариевых сплавов.

Автотрансформатор магнето состоит из первичной обмотки, которая имеет 150…230 витков, и вторичной с 11… 13 тыс. витков. Вначале на сердечник магнето накладываются витки первичной обмотки W1, что дает возможность при минимальном омическом сопротивлении получить большее число витков. Затем поверх витков первичной обмотки размещаются витки вторичной обмотки W2. Иногда между первичной и вторичной обмотками автотрансформатора располагаются обкладки конденсатора. Один конец первичной обмотки присоединяется на «массу» сердечника, а второй соединяется со вторичной обмоткой и прерывателем. Второй конец вторичной обмотки выводится через клемму высокого напряжения на распределитель.

Прерыватель магнето состоит из вращающегося кулачка и периодически размыкающихся под действием выступов кулачка контактов. Конденсатор, вмонтированный в виде обкладок в автотрансформатор или изготовленный отдельно, подключается параллельно контактам прерывателя и уменьшает искрение контактов.

Распределитель магнето в определенной последовательности замыкает электрические цепи свечей зажигания и, следовательно, включает их в работу. В наиболее распространенных двухискровых магнето (с одной парой полюсов магнита), устанавливаемых на четырехцилиндровых четырехтактных двигателях, магнит вращается с частотой вращения коленчатого вала, а ротор распределителя в два раза медленнее. За два оборота магнита здесь

обеспечивается четыре импульса тока, и за один оборот ротора распределителя все четыре свечи зажигания получают импульсы высокого напряжения.

Работа магнето высокого напряжения протекает так. При вращении ротора магнето переменный магнитный поток наводит в обмотках автотрансформатора электродвижущие силы. Если ротор вращать с частотой 2000 мин-1, то э. д. с. в первичной обмотке достигает 20…30 В, во вторичной — 1000… 1500 В. Замыкание первичной цепи при этом вызывает ток, максимальное значение которого равняется 2…3 А. Естественно, что э. д. с. порядка 1500 В недостаточна для получения искрового разряда и воспламенения рабочей смеси. Поэтому в магнето, как к в батарейном зажигании, для получения импульсов высокого напряжения используется эффект самоиндукции, возникающей при размыкании первичной цепи.

Замыкание первичной цепи приводит к нарастанию первичного тока iy. Зате

Тестовый сайт — Батарейное зажигание

Батарейное зажигание

Эта статья открывает цикл “Копилка знаний», в котором будут изложены оригинальные технические решения по ряду причин сейчас забытые, либо редко используемые. Ниже приводится перепечатка статьи на тему БАТАРЕЙНОЕ ЗАЖИГАНИЕ. Сейчас от него уже отказались, но полезно знать историю, если Вы хотите купить мотоборд, вилман или гопед!!

СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ 2 ТАКТНЫХ МОТОРОВ

Система зажигания служит для воспламенения электрической искрой рабочей смеси в цилиндре двигателя.

Для бесперебойного интенсивного воспламенения сжатой рабочей смеси искра должна быть длиной 0,4—0,7 мм. Надежное искрообразование обеспечивают приборы, дающие ток напряжением 12000—15000 в.

В мотоциклетостроении применяются батарейная система зажигания, система с зажиганием от магнето и система зажигания с генератором переменного тока, называемая также зажиганием от магнето с выносной катушкой зажигания. На некоторых велосипедах применены дизели, где рабочая смесь воспламеняется от сжатия.

Работа различных систем зажигания описана ниже. Отмечаем только их основные особенности. Искрообразование в свече происходит при размыкании контактов прерывателя. В системе батарейного зажигания и зажигания от магнето при размыкании прерывателя электрический ток в первичной цепи прерывается. В системе зажигания с генератором переменного тока при размыкании контактов прерывателя в первичную цепь катушки зажигания поступает электрический ток.

При зажигании от магнето с увеличением числа оборотов коленчатого вала двигателя искра в свече усиливается, а при батарейном зажигании становится слабее, что следует принимать во внимание только в отношении быстроходных двигателей. Для двигателей дорожных и дорожно-спортивных мотоциклов это ослабление искры несущественно.

Наибольшее распространенные на мотоциклах, рабочий объем двигателя которых выше 175 см3, имеет батарейное зажигание. Для более надежной работы некоторые мотоциклы оснащают магнето и генератором постоянного тока, имеющими отдельные приводы, или магдино. Магдино является дорогостоящим прибором. У него в общем корпусе объединены магнето и генератор (или династартер — другое название), которые приводятся во вращение от общего привода. Однако при установке отдельных магнето и генератора или магдино повышается стоимость мотоцикла.

На сравнительно недорогих мотоциклах с рабочим объемом двигателя меньше 175 см3 применено упрощенное магнето маховичного типа с генератором переменного тока, имеющим общую магнитную систему магнето и генератора. На некоторых гоночных мотоциклах установлено магнето.

Зажигание от генератора переменного тока (который будет описан отдельно) в настоящее время широко применяется преимущественно на сравнительно недорогих мотоциклах. При таком зажигании уменьшается стоимость электрооборудования и в некоторой степени обеспечиваются преимущества, которые дают отдельные магнето и генератор.

Батарейное зажигание

Основные приборы

В систему батарейного зажигания входят: аккумуляторная батарея с генератором, катушка зажигания, прерыватель, конденсатор, распределитель, свечи, выключатель (замок зажигания) и провода низкого и высокого напряжения.

Принципиальная схема батарейного зажигания показана на рис. 104. Катушка зажигания 2 (трансформатор) преобразует ток низкого напряжения, поступающий от аккумуляторной батареи или генератора, в ток высокого напряжения, который необходим для образования искры между электродами свечи 9. Первичная обмотка 3 катушки соединена с аккумуляторной батареей и прерывателем, а вторичная обмотка 4 — с массой (через первичную обмотку и аккумуляторную батарею) и со свечой. Прерыватель, состоящий из молоточка 8 и наковальни 7, прерывает цепь низкого напряжения, когда кулачок 6, приводимый во вращение от двигателя, приподнимает молоточек от наковальни. Распределитель служит для распределения тока высокого напряжения по свечам зажигания в случае двух или нескольких цилиндров. Свеча зажигания представляет собой электрический разрядник и служит для воспламенения сжатой рабочей смеси в цилиндре.

При включении аккумуляторной батареи в цепь зажигания через первичную обмотку катушки зажигания и сомкнутые контакты прерывателя потечет ток. При этом вокруг первичной обмотки образуется магнитное поле. Когда, кулачок 6, вращаясь, приподнимет своим выступом молоточек, контакты прерывателя разомкнутся и прервут ток в первичной обмотке. Вследствие быстрого изменения напряженности магнитного поля, созданного первичной обмоткой, во вторичной обмотке индуктируется ток высокого напряжения, достаточный для искрообразования в свече. Величина напряжения зависит от быстроты изменения напряженности магнитного поля и, кроме того, от соотношения числа витков в первичной и вторичной обмотках.

Одновременно в первичной обмотке возникает ток самоиндукции, который вызывает искрение между контактами прерывателя и противодействует быстрому исчезновению магнитного поля. Вредное действие токов самоиндукции устраняется с помощью конденсатора 5, который уменьшает искрение между контактами и усиливает искру в свече.

Катушка зажигания

На сердечнике катушки зажигания, набранном из пластин трансформаторного железа, имеются две обмотки: первичная короткая из 250—300 витков проволоки сечением 0,7—0,8 мм и вторичная длинная из 15000 витков проволоки сечением 0,06— 0,1 мм. Схема катушки зажигания показана на рис. 104.

Применяются катушки зажигания с обмотками, заключенными в металлический корпус, и с обмотками без металлического корпуса. У катушки зажигания с металлическим корпусом 1 (рис. 105, а) первичная 3 и вторичная 4 обмотки помещены на сердечнике 5. У некоторых катушек сверху обмоток надеты кольцевые пластины из трансформаторного железа, служащие вторичным сердечником. Обмотки залиты изоляционным составом 2 и закрыты сверху карболитовой крышкой 8, завальцованной в корпусе. Снаружи крышки имеются два винтовых зажима 6, к которым изнутри подведена первичная обмотка, служащих для соединения ее с источником питания и прерывателем, и соединенное с вторичной обмоткой центральное гнездо для провода высокого напряжения, идущего к свече или распределителю.

На отечественных мотоциклах применяются катушки зажигания КМ-01, Б-50, Б-51, Б2-Б, Б-201 и др. Кроме того, временно можно использовать любую шестивольтовую автомобильную катушку зажигания. Катушка зажигания Б-201 в отличие от других катушек имеет два вывода вторичной обмотки и предназначена для четырехтактного двухцилиндрового двигателя с системой зажигания без распределителя (см. рис. 114). Катушка зажигания коробок электроприборов П-36 и П-37 мотоциклов прежних выпусков не имеет металлического корпуса и покрыта толстым слоем изоляции, пропитанной лаком (рис. 105,6). У катушки выведены провода от концов первичной обмотки 3 и контакт 7 для соединения с проводом высокого напряжения. Сила тока, потребляемая катушкой зажигания, не превышает примерно 3—4 а. Напряжение вторичной об

Магнитоплазмоника и оптическая активность в нанопроволоках на основе графена

1. Введение

В настоящее время очевидно, что графен является очень многообещающим материалом для многих приложений в оптике, фотонике и плазмонике [1–3]. Слои графена (однослойные, а также двух- и многослойные волноводы) могут поддерживать сильно локализованные электромагнитные волны, то есть поверхностные плазмон-поляритоны (SPP), как TE, так и TM поляризованные [4–9]. Плотное удержание и большая длина распространения плазмонов позволяют наблюдать сильные взаимодействия света и вещества в структурах на основе графена [10].Практически можно использовать только графеновые ленты конечной массы. К сожалению, края таких лент приводят к нежелательному увеличению потерь [11]. Возможный путь решения этой проблемы — использование цилиндрических 2D поверхностей [12]. Цилиндрические волноводы на основе графена могут работать в одномодовом и многомодовом режимах в диапазоне частот от ТГц до среднего ИК диапазона [13–15]. Они могут поддерживать ТЕ-поляризованные плазмоны [16], аналогично одиночному слою графена [4].

Для реализации любых плазмонных устройств необходим инструмент для манипулирования плазмон-поляритонами.Этой цели можно достичь, например, сочетанием плазмонных и оптически активных материалов [17–22]. Среди других оптически активных материалов использование магнитных приводит к перекрестной связи между магнитными свойствами материалов и оптическими полями: различные механизмы могут приводить к оптически индуцированным магнитным полям [23–26], а возбуждение локализованных плазмонов может приводить к значительному увеличению в магнитооптических эффектах [27–31].

Хорошо известно, что магнитное поле (или намагниченность) в цилиндрических оптических волокнах может приводить к вращению распределения энергии (т.е.е. спекл-узор) в поперечное сечение волокна [32–35]. Природа этого эффекта — индуцированное магнитным полем нарушение вырождения мод с противоположными знаками азимутального индекса моды (т. Е. Вращающихся в противоположных азимутальных направлениях). Недавно мы показали, что в оптическом волокне с графеновым покрытием можно управлять таким вращением как магнитным полем, так и химическим потенциалом графена [36], но для наблюдаемого вращения необходимо, чтобы длина волокна составляла несколько сантиметров. Недавно мы показали, что в случае магнитоактивной нанопроволоки, покрытой слоем графена, можно добиться поворота некоторых плазмонных мод на величину до ~ 100 ° в масштабе около 500 нм на средних инфракрасных частотах [37].Регулировка концентрации носителей заряда в графене с помощью химического легирования или напряжения на затворе позволяет управлять свойствами SPP и, в частности, углом поворота азимутальных мод высокого порядка.

В этой главе мы суммируем наши предыдущие результаты и обсуждаем некоторые безмагнитные способы получения аналогичных эффектов. Наши результаты могут открыть дверь для применения стрейнтронного управления в плазмонике и разработки плазмонных устройств с односторонним распространением.

Глава состоит из введения, трех разделов и заключения.В разделе 2 мы рассматриваем основные свойства ППП, распространяющихся в цилиндрических плазмонных волноводах на основе графена. Мы обсуждаем условия распространения как основных мод TM, так и TE, а также TM-подобных ППП высокого порядка. В этом разделе также рассматриваются некоторые особенности эффективного магнитного поля, индуцированного обратным эффектом Фарадея. В разделе 3 мы показываем возможность вращения ППП, которые поддерживаются гиротропной нанопроволокой, покрытой графеном. В разделе 4 обсуждаются аналогичные эффекты спирального плазмонного волновода на основе графена.

2. Поверхностные плазмон-поляритоны в нанопроволоках, покрытых графеном

Цилиндрические плазмонные волноводы различной конфигурации на основе графена хорошо исследованы в литературе [13–16]. Было показано, что такой волновод может поддерживать азимутальные плазмонные моды высокого порядка и работать в одномодовом режиме.

Рассмотрим нанопроволоку с диэлектрической проницаемостью ε, покрытую слоем графена. Эта структура внедрена в среду с диэлектрической проницаемостью εout.Радиус нанопроволоки составляет R . Мы будем использовать цилиндрические координаты ( r , ϕ , z ). Ось нанопроволоки должна быть осью z . Мы описываем графен двумерной проводимостью σg [38], которая зависит от температуры T , угловой частоты ω , скорости рассеяния Γ и химического потенциала (или энергии Ферми) μ _ch ≈ ħvF ( πn ) ^1/2 , где vF ≈ 10 ⁶ м / с — скорость Ферми.Например, n ≈ 8 × 10 ¹³ см ⁻² соответствует μ _ch ≈ 1 эВ. Мы используем стандартную модель поверхностной проводимости графена, рассчитываемую в приближении локальной случайной фазы с доминирующим членом Друде при энергиях плазмонной волны ниже уровня Ферми [39, 40].

Мы рассмотрим монохроматические плазмоны, распространяющиеся вдоль оси нанопроволоки ( z -ось), поместив электрическое и магнитное поля E , H ∞ exp [ i ( βz — ωt )] в форму Максвелла. уравнения ( β = β ‘+ iβ ″ — комплексная постоянная распространения, ω — круговая частота).Компоненты электрического и магнитного полей в цилиндрических координатах ( r , ϕ , z ) внутри нанопроволоки (т.е. при 0 < r < R ) следующие:

Er, min = −ig −2 {βgAmI′m (gr) + iωmµ0r − 1BmIm (gr)}, Eϕ, min = −ig − 2 {iβmr − 1AmIm (gr) −ωµ0gBmI′m (gr)}, Ez, min = AmIm (gr) , Hr, min = −ig − 2 {βgBmI′m (gr) −iωmεinr − 1AmIm (gr)}, Hϕ, min = −ig − 2 {iβmr − 1BmIm (gr) −ωεingAmI′m (gr)}, Гц , min = BmIm (gr) .E1

В уравнении. (1) множитель exp [ i ( mϕ + βz — ωt )] был опущен.Уравнения, описывающие поля вне нанопроволоки (при r > R ) Eout , Hout могут быть получены из уравнения. (1) заменами:

g → p, Im (gr) → Km (pr), Am → Cm, Bm → Dm, εin → εout.E2

Во всех формулах, Im ( x ) и Km ( x ) — модифицированные функции Бесселя первого и второго типов соответственно; операция ‘означает дифференцирование по аргументу; г ² = β ² — ω ² ε _дюйм μ ₀ , p ² = β ² — ω ² ε _out μ ₀ , где μ ₀ — магнитная постоянная.Параметры p и g связаны с ограничением режима поля. Константы Am , Bm , Cm и Dm определяются граничными условиями и процедурой нормализации режима. Граничные условия при r = R следующие: Ez, min = Ez, mout, Eφ, min = Eφ, mout, Hz, mout − Hz, min = −σgEφ, minand Hφ, mout − Hφ, min = σgEz, мин.

Характеристическое (или дисперсионное) уравнение для плазмонной моды м может быть получено из граничных условий с выражениями полей (1) и (2).

Для м = 0 электромагнитные волны можно разделить на TE и TM моды. Моды высокого порядка имеют все ненулевые компоненты электрического и магнитного полей.

Дисперсионное соотношение для основной моды TE-поляризации ( m = 0): [16]

iωμ0σg = gI0 (gR) I1 (gR) + pK0 (pR) K1 (pR) .E3

Оба члена справа‐ стороны стороны положительные; Таким образом, можно заключить, что условие Im [ σg ] <0 необходимо. Но этого условия недостаточно. Предположим, что | Re [ σg ] | << | Im [ σg ] |.Это условие выполняется вблизи межзонного перехода (т.е. когда 1,667 < ħω / μ _ch <2). Предел отсечки (т.е. p → 0) приводит к критической связи между радиусом сердечника, частотой и диэлектрической проницаемостью. Предел gcrR << 1, что соответствует малому радиусу сердцевины, малой разнице диэлектрических проницаемостей внутренней и внешней сред или низкой частоте, приводит к условию ωμ0 | Im [σg] | R = 2. критический радиус для диапазона частот 100–600 ТГц (от ближнего инфракрасного до видимого света) дает R ∼1 мкм.

ТЕ-подобные ППП моды высокого порядка могут распространяться в структурах с гораздо большим радиусом и, таким образом, представляют интерес для практических плазмонных приложений.

TM ‐ SPP подробно исследованы в [13, 14]. Дисперсионное соотношение фундаментальных плазмонных мод TM равно

εoutK0 (pR) pK1 (pR) + εinI0 (gR) gI1 (gR) + iσgω = 0.E4

Эта мода существует для любых значений радиуса и частот электромагнитной волны, когда Im [ σg ]> 0.

Режимы с индексом | м | > 0 существуют выше частоты среза.Число поддерживаемых мод на фиксированной длине волны вакуума λ ₀ можно оценить как Re [ i 2 πR (εwire + εout) c / ( σgλ ₀ )]. Увеличение диэлектрической проницаемости сердечника приводит к увеличению количества поддерживаемых мод.

Сравнение характеристик ППП нанопроволоки, покрытой графеном, и нанопроволоки, покрытой золотом, в диапазоне частот 30–50 ТГц показывает [13], что эффективный модовый индекс моды ППП в покрытой графеном нанопроволоке намного больше, чем у золотой Нанопроволока с покрытием, что указывает на то, что плазмонная мода в покрытой графеном нанопроволоке имеет гораздо более короткую длину волны SPP и лучшее удержание мод.Мода SPP в покрытой графеном нанопроволоке имеет гораздо меньшую площадь моды: энергия моды покрытой графеном нанопроволоки в основном локализована внутри нанопроволоки, в то время как энергия моды покрытой золотом нанопроволоки находится за пределами покрытия Au.

Выражения для поля (1) и (2) позволяют рассчитать обратный магнитоплазмонный эффект [41]: т.е. эффективное магнитное поле, индуцированное распространяющимися ППП из-за обратного эффекта Фарадея Heff = αIm [E × E *]. Для режима с м = 0 SPP можно разделить на режимы TE и TM.Легко показать, что режим TE не может создавать магнитное поле, тогда как режим TM может создавать азимутальное магнитное поле. Компоненты магнитного поля, наведенные какой-либо одной модой, не зависят от азимутального угла ϕ . Для мод с м ≠ 0 все компоненты магнитного поля отличны от нуля. Изменение направления распространения приводит к изменению направления вращения H _eff . Режимы с большим | м | индуцирует также продольную составляющую магнитного поля.Значение этой составляющей увеличивается с увеличением номера режима. Мы также обнаружили, что в двухмодовом режиме можно вызвать азимутально-периодическое распределение магнитного поля. Это распределение может быть повернуто этими двумя регуляторами фазового сдвига режима.

3. Гиротропные нанопроволоки, покрытые графеном

Рассмотрим гиротропную нанопроволоку, покрытую слоем графена (см. Рисунок 1). Мы будем использовать цилиндрические координаты ( r , ϕ , z ). Ось нанопроволоки должна быть осью z , которая совпадает с осью вращения.wire = ε0 (ε⊥ − iεa0iεaε⊥000ε∥) E5

Рисунок 1.

Геометрия задачи.

Здесь ε ₀ — электрическая постоянная (в этой главе мы будем использовать единицы СИ). Слой графена можно описать двумерной проводимостью σg , которая зависит от температуры T , угловой частоты ω , скорости рассеяния Γ и химического потенциала μ _ch . Его можно рассчитать, например, в приближении локальной случайной фазы [39, 40].Мы будем учитывать наличие графена только как конкретное граничное условие [38]. Будем считать, что внешней средой является воздух, т.е. она имеет диэлектрическую проницаемость ε _out = ε ₀ .

Характеристики SPP-мод, распространяющихся в покрытых графеном негиротропных нанопроводах, были детально исследованы [13–16]. В разделе 2 обсуждалось, что плазмонные моды в такой структуре могут вызывать сложное распределение магнитного поля через обратный эффект Фарадея.Здесь мы предполагаем, что интенсивность рассматриваемых плазмонных мод достаточно мала, и можно пренебречь обратным эффектом Фарадея внутри магнитной нанопроволоки.

Теперь нужно решить уравнения Максвелла внутри каждой среды. Мы предполагаем, что электромагнитная волна имеет гармоническую зависимость от времени и распространяется по оси z , т.е. E , H ∼ exp [- iωt + iβz ], где β = β ′ + iβ ″ — комплексная постоянная распространения.Распределение электромагнитного поля внутри магнитной нанопроволоки с тензором диэлектрической проницаемости (уравнение (5)) может быть выражено так же, как в круглых микроволновых волноводах и оптических волокнах, заполненных гиротропной средой [42–44]. Поле вне нанопроволоки имеет обычный вид (см. Уравнения (1) и (2)). Эти поля должны удовлетворять граничным условиям при r = R : Ez, min = Ez, mout, Eφ, min = Eφ, mout, Hz, mout − Hz, min = −σgEφ, minand Hφ, mout − Hφ, min = σgEz, мин. Итак, у нас будет дисперсионное уравнение.Решая это уравнение, можно получить β для каждого индекса азимутальной моды m .

Стандартными характеристиками SPP являются длина волны SPP λ _SPP = 2 π / β ′ и длина распространения L _SPP = ( β ″) ⁻¹ . Когда L _SPP становится меньше λ _SPP для выбранных м , соответствующая мода SPP становится чрезмерно демпфированной и не может распространяться в конструкции.

Аналитический анализ показывает, что в дисперсионном уравнении присутствуют члены с первой и третьей степенями индекса моды m . Это приводит к невзаимности мод с противоположным азимутальным направлением распространения, то есть моды с разными знаками м будут распространяться с немного разными скоростями.

Предположим, что при z = 0 имеется распределение поля с азимутальной зависимостью ∼cos ( mϕ ). Такое распределение можно описать суперпозицией двух мод с м = ± | m |, которые возбуждаются без фазового сдвига:

Ei = E˜i, + m (r) exp [imϕ] exp [iβ + mz] + E˜i, −m (r) exp [−imϕ] exp [iβ-mz] E6

, где E˜i, ± m (r) — радиальные распределения поля, i = r , φ , z .Действительно, из-за разницы постоянных распространения β _{± м} это распределение будет отличаться для противоположных знаков м , но в первом подходе мы будем предполагать, что E˜i, + m (r) ≈ E˜i, −m (r). Правильность такого предположения будет в дальнейшем подтверждена численными расчетами распределений полей. Различные значения скорости распространения приведут к фазовому сдвигу при выбранном z = z ₀ и, следовательно, к повороту распределения поля на угол ( β ′ _{— м} — β ′ _{+ м} ) z ₀ /2 м .Эта формула аналогична формуле для СВЧ волновода, заполненного гиротропной средой [43]. Для характеристики угла поворота мы будем использовать удельный угол поворота для каждой моды, определяемый следующим образом:

θ = β′ − m − β ′ + м2 м. E7

Длина распространения также будет отличаться для режимов с противоположными знаками м . Это может привести к тому, что при определенном значении z одна из мод станет пренебрежимо малой. На такой длине, определяемой условием

| β ″ −m — β ″ + m | z0 >> 1, E8

, начальное азимутальное распределение интенсивности становится пространственно однородным.

Для численного решения дисперсионного уравнения и исследования распределений поля будем использовать следующие параметры: линейная частота электромагнитной волны f = ω /2 π = 100 ТГц (длина волны в вакууме λ ₀ = 3 мкм), радиус нанопроволоки R = 50 нм (квантовые эффекты в графеновых структурах следует учитывать при размере структуры менее ≈20 нм [45]). Для простоты будем считать, что ε⊥ = ε || = ε .Значение ε будет установлено равным 2. Мы будем рассматривать комнатные температуры ( T = 300 K) и скорость рассеяния графена Γ = 0,1 мэВ. В связи с тем, что вращение может наблюдаться только для мод, зависящих от азимутального угла, мы будем рассматривать моды с | м | ≠ 0.

На рисунке 2 показано распределение электрического поля некоторых мод высокого порядка на z = 100 нм для различных значений εa . Химический потенциал графена составляет μ _ch = 1 эВ.Пунктирные линии показывают рассчитанное положение максимума. Видно, что рассчитанные углы поворота хорошо согласуются с результатами численного моделирования. Изменение знака гиротропии εa (то есть изменение намагниченности или направления магнитного поля) приводит к противоположному вращению распределения поля. Различие радиальных распределений полей с разным знаком м не оказывает заметного влияния. Для мод с высоким показателем преломления в случае гигантской гиротропии условие (8) не выполняется, и можно видеть размытие распределения, о котором мы упоминали выше.

Рис. 2.

Распределение электрического поля некоторых низших мод на z = 100 нм для разных значений εa. Штрих-пунктирные линии показывают рассчитанное положение первого максимума. Также показаны рассчитанные углы поворота. При εa> 0 углы поворота такие же, как и для соответствующего случая εa <0, но распределение вращается в противоположном направлении. Химический потенциал графена μch = 1 эВ.

Изменение проводимости графена (или его химического потенциала) может привести к большей разнице в константах распространения мод с противоположными знаками м .Это можно использовать для регулировки угла поворота, аналогично оптическому волокну, покрытому графеном [36]. Зависимости удельного угла поворота, рассчитанные по формуле. (7) для некоторых низших мод показаны на рисунке 3. Этот рисунок также содержит длину волны SPP и длину распространения. Видно, что удельный угол поворота достигает максимума при определенном химическом потенциале, значения которого различны для каждой моды. Для более низких режимов максимум соответствует более высоким значениям химического потенциала. Эти максимальные значения обозначены пунктирными линиями.Максимальный угол поворота уменьшается с увеличением номера режима. Увеличение гиротропии | εa | приводит к некоторому смещению максимума в сторону более низких химических потенциалов. Для положительных значений гиротропии удельные углы поворота отрицательны, но равны абсолютному значению в случае отрицательной гиротропии. Для графиков изменения длины волны SPP и длины распространения знак εa приводит к смене линий для m > 0 и m <0.

Рисунок 3.

Зависимости удельного угла поворота, длины волны плазмонной волны и длины распространения от химического потенциала графена. Вертикальные пунктирные линии показывают положение максимума удельного угла поворота для соответствующего режима.

В общем, удельный угол поворота можно регулировать примерно вдвое, изменяя химический потенциал графена.

Следует отметить, что максимальное удельное вращение наблюдается вблизи точки перегиба зависимости длины волны SPP от химического потенциала для моды с большей длиной волны.При таких значениях химического потенциала соответствующие моды имеют длину распространения меньше длины волны плазмонной волны, то есть когда моды становятся исчезающими. Также видно, что для максимальных углов поворота длины распространения мод с противоположным знаком м существенно различаются. Таким образом, условие (8) играет решающую роль.

Характеристики распространения мод зависят от диэлектрической проницаемости нанопроволоки, ее радиуса и частоты электромагнитной волны. Все эти значения можно использовать для достижения максимального вращения желаемой моды, но этот вопрос требует отдельного исследования.

Угол поворота линейно зависит от длины нанопроволоки. Таким образом, максимальное вращение может быть достигнуто при длине распространения SPP. Но нужно иметь в виду условие (8), чтобы избежать нежелательного размытия распределения.

Следует отметить, что для практического применения исследуемого эффекта необходимы высокие значения εa . Он принимает значения εa ∼ 0,001–0,01 на длинах волн, примерно равных, чтобы здесь считаться, что он часто используется в магнитооптических материалах [29].Угол вращения Фарадея и постоянная Верде часто используются для характеристики гиротропных материалов. Угол фарадеевского вращения может быть определен следующим образом [43]: θF = zω [( ε + εa ) ^1/2 — ( ε — εa ) ^1/2 ] / (2 c ) = BVz , где B — внешняя магнитная индукция, а В — постоянная Верде. Для εa << ε гиротопия пропорциональна BV .Высокие значения постоянной Верде в ТГц диапазоне частот (0,1–10 ТГц) имеют некоторые полупроводники: (Cd, Mn) Te (10 ³ рад T ⁻¹ м ⁻¹ ) [46], InSb ( 10 ⁴ рад T ⁻¹ м ⁻¹ ) [47], HgTe (10 ⁶ рад T ⁻¹ м ⁻¹ ) [48]. В таких материалах могут быть достигнуты значения εa , которые необходимы для практического применения, но предлагаемую конструкцию следует перепроектировать для частот ТГц (следует увеличить радиус сердечника).Следует отметить, что на частотах ТГц длина распространения SPP намного больше, чем в рассматриваемой здесь инфракрасной области. Таким образом, можно добиться больших углов поворота, но в больших масштабах.

4. Спиральные волноводы на основе графена

Рассмотрим диэлектрический цилиндр (сердцевину волновода) с диэлектрической проницаемостью ε _дюйм = εr _дюйм ε ₀ ( ε ₀ — электрическая постоянная) и радиус R , намотанный полосой графена (см. Рис. 4a и b).Такой цилиндр заделан в диэлектрическую среду с диэлектрической проницаемостью ε _out = εr _out ε ₀ . Обе среды будут считаться немагнитными ( мкм _в = мкм _из = мкм ₀ ). Мы будем использовать цилиндрические координаты ( r , ϕ , z ). Предположим, что ось z совпадает с осью цилиндра.

Рисунок 4.

Геометрия задачи. Перспектива (а) и проекция сверху (б) части мета-трубки. Схемы, иллюстрирующие связь между углом наклона θ и числом наклона n (c) и влияние ширины полосы графена W на дисперсионную характеристику плазмонных мод с m = ± 1 (d), n = 0 для сплошной линии соответствуют нехиральная структура, образованная графеновыми кольцами, n = 9 для штриховых линий примерно соответствует углу наклона 45 °.

Сетку цилиндрической поверхности можно представить как метаповерхность, образованную полосами графена шириной W и шириной прокладки G (см. Рисунок 4c).г = (σφφσφzσzφσzz) σφφ = LσgσCsin2θWσC + Gσg + WLσgcos2θ, σzz = LσgσCcos2θWσC + Gσg + WLσgsin2θ, σφz = σzφ = (WLσg-LσgσCWσC + Gσg) sinθcosθσC = -iωε0ε (Lπ) LN [CSC (πG2L)] Е9

В уравнении . (9) σg — проводимость графена, которую можно разделить на внутризонные и межзонные вклады σg = σ _внутри + σ _между , тогда как σC — эффективное мета -Поверхностная проводимость, вызванная емкостной связью между полосами графена. Такое представление справедливо, когда длина волны электромагнитной волны намного больше периодичности структуры.

Для фиксированной периодичности поверхности L = W + G угол наклона может принимать дискретные значения: θn = arcsin [ nL /2 πR ], где n — целое число, которое можно интерпретировать как количество графеновых спиралей (или количество прокладок на мета-поверхности между двумя замкнутыми краями полосы). Мы будем называть этот номер «числом наклона».

Для исследования электродинамики такой структуры необходимо решить уравнения Максвелла внутри каждой среды с учетом граничных условий: Ez, in = Ezout, Eφin = Eφout, Hzout − Hzin = −σϕϕEϕin − σϕzEzin и Hϕout − Hϕin = σzzEzin + σzϕEϕin .Рассматривая волны, распространяющиеся вдоль оси цилиндра, можно положить электрическое и магнитное поля E , H ∼ exp [- iωt + ihz + imϕ ], где ω — круговая частота, h — постоянная распространения, а м — индекс азимутальной моды.

Расчеты показывают, что константы распространения для мод, распространяющихся вдоль оси z с противоположным азимутальным направлением вращения (обозначим эти постоянные распространения как h _{+ | m |} и h _{— | m |} ), как и плазмонные моды в гиротропных нанопроволоках, покрытых графеном (см. Раздел 3).Таким образом, если на входе волновода z = 0 имеется азимутальное распределение поля, пропорциональное cos [ mϕ ], то на выходе z = z ₀ будет вращенное распределение поля. Угол поворота можно рассчитать как ψ = z ₀ (Re [ h _{— | m |} ] — Re [ h _{+ | m |} ]) / 2 | m |, а z ₀ | Im [ h _{— | м |} ] — Im [ h _{+ | м |} ] | << 1.Чтобы охарактеризовать эффект вращения, мы также будем использовать удельный угол поворота ψ ₀ = ψ / z ₀ .

На рис. 4 (d) показаны дисперсионные характеристики (модовый показатель преломления Re [ hm ] / k ₀ и длина распространения 1 / 2Im [ hm ]) для структуры, образованной полосой графена с периодичность L = 50 нм, радиус сердцевины R = 100 нм для частоты электромагнитной волны f = 50 ТГц по ширине полосы графена для мод с м = ± 1 и двумя значениями углов наклона ( n = 0 соответствует нехиральной структуре, образованной графеновыми кольцами, n = 9 приблизительно соответствует углу наклона 45 °).Полагаем, что εr _в = 3, а εr _out = 1. При фиксированной периодичности L уменьшение ширины полосы приводит к увеличению ширины спейсера. Видно, что существует критическая ширина полосы, когда структура не может поддерживать плазмонную моду. Эта критическая ширина отличается для другого индекса моды м . Для ненулевого числа наклона моды с противоположными азимутальными направлениями вращения (т.е. ± | м |) имеют различную критическую ширину.Мода, вращающаяся в том же направлении, что и хиральность структуры, существует при меньшей ширине графена, но имеет малую длину распространения, тогда как противоположная мода имеет объемное поведение, когда ширина графена достигает критического значения.

На рисунке 5 показан удельный угол поворота спирального волновода с периодичностью L = 50 нм, шириной полосы графена W = 45 нм и шириной спейсера G = 5 нм через число наклона структуры. Остальные параметры такие же, как на рисунке 2.Видно, что при n < n _cr ≈ 10 удельный угол поворота низших мод больше, чем у высших. При n > n _cr имеет место противоположное поведение. Максимальное удельное вращение достигает нескольких сотен градусов и наблюдается около угла наклона около π /4, когда недиагональные компоненты проводимости максимальны, аналогично TE-TM связи для основной плазмонной моды.Максимумы высших режимов смещены в сторону больших углов наклона. Следует отметить, что угол поворота строго зависит от химического потенциала графена, которым можно управлять с помощью напряжения на затворе или химического легирования. Максимальные значения удельного угла поворота намного выше, чем у гиротропных нанопроволок, покрытых графеном, при аналогичном наборе параметров (см. Раздел 3). Отрицательные числа наклона (и углы наклона) соответствуют противоположной хиральности конструкции. Такая ситуация будет наблюдаться для обратных волн, распространяющихся в конструкции, и удельный угол поворота будет иметь отрицательные значения.Таким образом, структура строго невзаимная. Это свойство можно использовать для одностороннего распространения волны, если у нас ширина полосы графена меньше критической для отрицательного азимутального индекса моды: мода с положительным азимутальным индексом будет по-прежнему распространяться вдоль конструкции, а в противоположном направлении только мода с отрицательным азимутальным индексом будет распространяться.

Рисунок 5.

Удельный угол поворота для спирального волновода с периодичностью L = 50 нм, шириной полосы графена W = 45 нм и шириной спейсера G = 5 нм через число наклона (или угол наклона) структуры. .На верхней панели показан удельный угол поворота для первых четырех мод для химического потенциала графена μch = 0,5 эВ. На нижней панели показан удельный угол поворота для режима с | m | = 1 для разных значений химического потенциала графена.

Видно, что даже при максимально возможном угле наклона удельный угол поворота остается достаточно большим. Это обстоятельство делает концепцию управления поверхностными плазмон-поляритонами деформациями сдвига очень перспективными для практических приложений. Представим себе, что у нас есть нехиральная структура, образованная нанопроволокой, продольно покрытой полосами графена (см. Рисунок 6).Этой ситуации соответствует угол наклона θ = 90 ^o . Недиагональные компоненты тензора поверхностной проводимости будут равны нулю, и вращения плазмонных мод высокого порядка не будет наблюдаться. Если к такой конструкции приложить деформации сдвига, спиральный волновод будет сформирован с углом наклона, определяемым величиной деформации, и распределение поля на выходе волновода будет повернуто.

Рис. 6.

Схемы, иллюстрирующие формирование спирального волновода деформациями сдвига (а) и управление параметрами спирального волновода осевыми деформациями (б).

Другой способ управления плазмонами в исследуемой структуре с помощью внешних деформаций — это приложение осевой деформации к структуре. Осевая деформация приведет к изменению ширины распорки G и периодичности конструкции L . Из уравнения. (9), мы можем видеть, что соотношение W / L существенно влияет на проводимость мета-поверхности. В обсуждаемой ситуации W / L могут управляться осевой деформацией.Из рисунка 4 (d) видно, что даже изменение ширины полосы на несколько нанометров приводит к значительному различию в константах распространения встречно вращающихся азимутальных мод. Таким образом, предлагаемая конструкция должна быть очень чувствительной к осевым напряжениям.

5. Заключительные замечания

В этой главе мы подробно исследовали два способа нарушения вырождения плазмонных мод с противоположными азимутальными поворотами нанопроволок, покрытых графеном: внешним магнитным полем и поверхностной спиральной структурой.Это нарушение вырождения может привести к гигантскому пространственному вращению плазмонных мод высокого порядка и к перераспределению интенсивности электромагнитной волны.

Открытой проблемой является самосогласованная проблема распространения ППП в плазмонных магнитных нанопроводах. Намагничивание нанопроволоки, как правило, приводит к изменению свойств SPP, в то время как сами SPP создают эффективное магнитное поле, которое изменяет намагниченность нанопроволоки. Этот эффект следует учитывать особенно для нелинейных SPP.Насколько нам известно, эта проблема до сих пор не решена.

Эффекты, обсуждаемые в разделе 4, вызваны недиагональными компонентами тензора поверхностной проводимости. Помимо рассматриваемой структуры, аналогичный эффект может наблюдаться и для нанопроволок, покрытых напряженным слоем графена. Недавнее исследование проводимости графена при немеханическом искажении показало, что он также может иметь анизотропный тензор проводимости с недиагональными компонентами [51].Этот факт открывает дверь для дальнейших исследований контроля SPP искусственными штаммами.

Предсказанные эффекты могут играть решающую роль в повороте поляризации в метаматериалах, состоящих из множества предложенных структур. С другой стороны, перераспределение интенсивности электромагнитной волны можно интерпретировать с точки зрения локального изменения фотонной плотности состояний, что может быть использовано для управления излучением квантовых точек, размещенных рядом с такой плазмонной нанопроволокой. Эти результаты открывают двери для новых плазмонных приложений, начиная от изоляторов Фарадея на основе нанопроволоки и односторонних устройств до магнитного контроля и контроля деформации в квантово-оптических приложениях.

Благодарности

Работа частично поддержана Stratégie internationale NNN ‐ Telecom de la Région Pays de La Loire, Александром фон Гумбольдтом, Президентом Российской Федерации (проект № MK ‐ 1653.2017.2), Российским фондом фундаментальных исследований ( гранты №№ 16‐37‐00023, 16‐07‐00751 и 16‐29‐14045), а также Закон 211 Правительства Российской Федерации (договор № 02.A03.21.0011).

Что такое магнетизм? | Магнитные поля и магнитная сила

Магнетизм — это один из аспектов комбинированной электромагнитной силы.Это относится к физическим явлениям, возникающим из-за силы, вызванной магнитами, объектами, которые создают поля, которые притягивают или отталкивают другие объекты.

Согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия, магнитное поле действует на частицы в поле за счет силы Лоренца. Движение электрически заряженных частиц порождает магнетизм. Сила, действующая на электрически заряженную частицу в магнитном поле, зависит от величины заряда, скорости частицы и силы магнитного поля.

Все материалы обладают магнетизмом, некоторые сильнее, чем другие. Постоянные магниты, сделанные из таких материалов, как железо, испытывают сильнейшее воздействие, известное как ферромагнетизм. За редким исключением, это единственная форма магнетизма, достаточно сильная, чтобы ее могли почувствовать люди.

Противоположности притягиваются

Магнитные поля генерируются вращающимися электрическими зарядами, согласно HyperPhysics. Все электроны обладают свойством углового момента или спина. Большинство электронов имеют тенденцию образовывать пары, в которых один из них имеет «спин вверх», а другой — «спин вниз», в соответствии с принципом исключения Паули, который гласит, что два электрона не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии одновременно.В этом случае их магнитные поля имеют противоположные стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Однако некоторые атомы содержат один или несколько неспаренных электронов, спин которых может создавать направленное магнитное поле. Направление их вращения определяет направление магнитного поля, согласно Ресурсному центру неразрушающего контроля (NDT). Когда значительное большинство неспаренных электронов выровнены своими спинами в одном направлении, они объединяются, чтобы создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было почувствовать в макроскопическом масштабе.

Источники магнитного поля — дипольные, с северным и южным магнитными полюсами. По словам Джозефа Беккера из Университета Сан-Хосе, противоположные полюса (северный и южный) притягиваются, а аналогичные полюса (северный и северный или южный и южный) отталкиваются. Это создает тороидальное поле или поле в форме пончика, поскольку направление поля распространяется наружу от северного полюса и входит через южный полюс.

Земля сама по себе является гигантским магнитом. Согласно HyperPhysics, планета получает свое магнитное поле от циркулирующих электрических токов внутри расплавленного металлического ядра.Компас указывает на север, потому что маленькая магнитная стрелка в нем подвешена, так что он может свободно вращаться внутри корпуса, выравниваясь с магнитным полем планеты. Парадоксально, но то, что мы называем Северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные магнитные полюса стрелок компаса.

Ферромагнетизм

Если выравнивание неспаренных электронов продолжается без приложения внешнего магнитного поля или электрического тока, образуется постоянный магнит.Постоянные магниты — результат ферромагнетизма. Приставка «ферро» относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые наблюдался в форме естественной железной руды, называемой магнетитом, Fe ₃ O ₄ . Кусочки магнетита можно найти разбросанными на поверхности земли или вблизи нее, и иногда они намагничиваются. Эти встречающиеся в природе магниты называются магнитными камнями. «Мы до сих пор не уверены в их происхождении, но большинство ученых считают, что магнитный камень — это магнетит, пораженный молнией», — говорится в сообщении Университета Аризоны.

Вскоре люди узнали, что можно намагнитить железную иглу, поглаживая ее магнитным камнем, в результате чего большая часть неспаренных электронов в игле выстраивается в одном направлении. По данным НАСА, примерно в 1000 году нашей эры китайцы обнаружили, что магнит, плавающий в чаше с водой, всегда выстраивался в направлении север-юг. Таким образом, магнитный компас стал огромным помощником в навигации, особенно днем ​​и ночью, когда звезды были скрыты облаками.

Было обнаружено, что другие металлы, помимо железа, обладают ферромагнитными свойствами.К ним относятся никель, кобальт и некоторые редкоземельные металлы, такие как самарий или неодим, которые используются для создания сверхпрочных постоянных магнитов.

Другие формы магнетизма

Магнетизм принимает множество других форм, но, за исключением ферромагнетизма, они обычно слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать за исключением чувствительных лабораторных приборов или при очень низких температурах. Диамагнетизм был впервые открыт в 1778 году Антоном Бругнамсом, который использовал постоянные магниты в поисках материалов, содержащих железо.По словам Джеральда Кюстлера, широко опубликованного независимого немецкого исследователя и изобретателя, в своей статье «Диамагнитная левитация — исторические вехи», опубликованной в Румынском журнале технических наук, Бругнамс заметил: «Только темный и почти фиолетовый висмут проявлял конкретное явление в исследовании; потому что, когда я положил его кусок на круглый лист бумаги, плавающий на воде, он оттолкнулся обоими полюсами магнита ».

Было установлено, что висмут обладает самым сильным диамагнетизмом из всех элементов, но, как обнаружил Майкл Фарадей в 1845 году, это свойство всей материи отталкиваться магнитным полем.

Диамагнетизм вызван орбитальным движением электронов, создающих крошечные токовые петли, которые создают слабые магнитные поля, согласно HyperPhysics. Когда к материалу прикладывается внешнее магнитное поле, эти токовые петли имеют тенденцию выравниваться таким образом, чтобы противостоять приложенному полю. Это приводит к тому, что все материалы отталкиваются постоянным магнитом; однако результирующая сила обычно слишком мала, чтобы быть заметной. Однако есть некоторые заметные исключения.

Пиролитический углерод, вещество, похожее на графит, демонстрирует даже более сильный диамагнетизм, чем висмут, хотя и только вдоль одной оси, и фактически может подниматься над сверхсильным редкоземельным магнитом.Некоторые сверхпроводящие материалы демонстрируют даже более сильный диамагнетизм ниже своей критической температуры, поэтому над ними можно левитировать редкоземельные магниты. (Теоретически из-за их взаимного отталкивания один может левитировать над другим.)

Парамагнетизм возникает, когда материал временно становится магнитным при помещении в магнитное поле и возвращается в немагнитное состояние, как только внешнее поле удаляется. При приложении магнитного поля некоторые из неспаренных электронных спинов выравниваются с полем и преодолевают противоположную силу, создаваемую диамагнетизмом.Однако, по словам Дэниела Марша, профессора физики Южного государственного университета штата Миссури, эффект заметен только при очень низких температурах.

Другие, более сложные формы включают антиферромагнетизм, при котором магнитные поля атомов или молекул выстраиваются рядом друг с другом; и поведение спинового стекла, в котором участвуют как ферромагнитные, так и антиферромагнитные взаимодействия. Кроме того, ферримагнетизм можно рассматривать как комбинацию ферромагнетизма и антиферромагнетизма из-за множества общих черт между ними, но, по данным Калифорнийского университета в Дэвисе, у него все еще есть своя уникальность.

Электромагнетизм

Когда провод перемещается в магнитном поле, поле индуцирует в проводе ток. И наоборот, магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом. Это соответствует закону индукции Фарадея, который лежит в основе электромагнитов, электродвигателей и генераторов. Заряд, движущийся по прямой линии, как по прямому проводу, создает магнитное поле, которое вращается вокруг провода по спирали. Когда этот провод превращается в петлю, поле приобретает форму пончика или тора.Согласно Справочнику по магнитной записи (Springer, 1998) Marvin Cameras, это магнитное поле можно значительно усилить, поместив ферромагнитный металлический сердечник внутри катушки.

В некоторых приложениях постоянный ток используется для создания постоянного поля в одном направлении, которое можно включать и выключать вместе с током. Это поле может затем отклонить подвижный железный рычаг, вызывая слышимый щелчок. Это основа телеграфа, изобретенного в 1830-х годах Сэмюэлем Ф. Б. Морзе, который позволял осуществлять связь на большие расстояния по проводам с использованием двоичного кода, основанного на импульсах большой и малой длительности.Импульсы посылались опытными операторами, которые быстро включали и выключали ток с помощью подпружиненного переключателя с мгновенным контактом или ключа. Другой оператор на принимающей стороне затем переводил слышимые щелчки обратно в буквы и слова.

Катушка вокруг магнита также может двигаться по шаблону с изменяющейся частотой и амплитудой, чтобы индуцировать ток в катушке. Это основа для ряда устройств, в первую очередь для микрофона. Звук заставляет диафрагму двигаться внутрь и наружу с волнами переменного давления.Если диафрагма соединена с подвижной магнитной катушкой вокруг магнитопровода, она будет производить переменный ток, аналогичный падающим звуковым волнам. Затем этот электрический сигнал может быть усилен, записан или передан по желанию. Крошечные сверхсильные магниты из редкоземельных элементов сейчас используются для изготовления миниатюрных микрофонов для сотовых телефонов, сообщил Марш Live Science.

Когда этот модулированный электрический сигнал подается на катушку, он создает колеблющееся магнитное поле, которое заставляет катушку входить и выходить по магнитному сердечнику по той же схеме.Затем катушка прикрепляется к подвижному диффузору динамика, чтобы он мог воспроизводить звуковые волны в воздухе. Первым практическим применением микрофона и динамика был телефон, запатентованный Александром Грэмом Беллом в 1876 году. Хотя эта технология была усовершенствована и усовершенствована, она по-прежнему является основой для записи и воспроизведения звука.

Применения электромагнитов почти бесчисленны. Закон индукции Фарадея составляет основу многих аспектов нашего современного общества, включая не только электродвигатели и генераторы, но и электромагниты всех размеров.Тот же принцип, который используется гигантским краном для подъема старых автомобилей на свалку металлолома, также используется для выравнивания микроскопических магнитных частиц на жестком диске компьютера для хранения двоичных данных, и каждый день разрабатываются новые приложения.

Штатный писатель Таня Льюис внесла свой вклад в этот отчет.

Дополнительные ресурсы

Принципы FLT

Цели, содержание, принципы обучения иностранному языку

Цели обучения иностранному языку

Есть три цели, которые должны быть достигнуты при обучении ФЛ: практическая, образовательная, культурная.

A) Практическая цель: приобретение FL как средства связи. Практические цели охватывают привычки и навыки, которые ученики приобретают при использовании иностранного языка.

Привычка — это автоматическая реакция на определенные ситуации, обычно приобретаемая в результате повторения и обучения.

Навык — это сочетание полезных привычек, служащих определенной цели и требующих применения определенных знаний.

B) Образовательная цель: через изучение FL мы можем развить интеллект учащихся.Обучение ФЛ помогает учителю развивать в учениках произвольную и непроизвольную память, его способности к воображению и силу воли.

C ) Культурные цели : изучение FL знакомит ученика с жизнью, обычаями и традициями людей, язык которых он изучает, с помощью наглядных материалов и материалов для чтения; со странами, в которых говорят на целевом языке.

Каково содержание и принципы методики преподавания иностранных языков

Содержание FLT

Первый компонент — это привычки и навыки, которые ученики должны приобрести, то есть (понимание речи на слух, говорение, чтение и письмо).

Второй компонент — лингвистический. Включает:

Языковой материал (предложения-шаблоны, шаблоны-диалоги, тексты)

Лингвистический материал, т.е. фонология, грамматика и словарный запас

Третий компонент — методологический, то есть методы, которыми ученики должны овладеть, чтобы изучать ФЛ наиболее эффективным способом. Содержание обучения изложено в программе и реализовано в учебных материалах и в собственной речи учителей.

Принципы FLT

MFLT основаны на фундаментальных принципах дидактики:

научный подход в преподавании школьных предметов, доступность, долговечность, осознанный подход и активность, визуализация и индивидуальный подход к языковым институтам.
Научный подход подразумевает тщательное определение того, что и как учить для достижения целей, поставленных программой. Это означает, что ученики должны участвовать в устном и письменном общении на протяжении всего курса изучения ФЗ.Учеников обучают ФЛ как средству общения.

Следующий принцип тесно связан с подбором материала и его расположением, чтобы обеспечить доступность для изучения языка со стороны учеников.

Принцип стойкости подразумевает способность ученика удерживать в памяти лингвистический и языковой материал. Прочность обеспечивается яркой подачей материала, постоянным пересмотром упражнений, использованием материала для коммуникативных нужд, систематическим контролем.

Принцип осознанного подхода к изучению языка подразумевает осмысление лингвистического феномена языкового материала учеником. Ученики должны понимать как форму, так и содержание материала, а также знать, как они должны обращаться с материалом при выполнении различных примеров.

Принцип действия . При обучении ФЛ необходимо стимулировать активность учеников, вовлекая их в акт общения на изучаемом языке, в его устной (аудирование, говорение) или письменной (чтение, письмо) форме.Чтобы овладеть языком, нужно много практиковаться в использовании языка.

Принцип визуализации . Визуализация может быть определена как специально организованная демонстрация языкового материала и языкового поведения, характерного для изучаемого языка, с целью помочь ученику понять, усвоить и использовать его в связи с поставленной задачей. Визуализация подразумевает широкое использование аудиовизуальных средств и аудиовизуальных материалов на протяжении всего курса FLT.Принцип индивидуализации. Учитель должен оценить прогресс каждого человека в классе и найти способ управлять классной деятельностью, чтобы самые медленные ученики не впадали в депрессию, оставаясь позади, а самые быстрые и наиболее способные ученики не разочаровывались в том, что их сдерживают.

Дата: 18.09.2015; вид: 2648;

.