面向電流測量的鐵磁流體縱向磁致旋光效應(yīng)研究.pdf

1、近年來光學(xué)電流互感器由于絕緣和成本等諸方面的突出優(yōu)勢而獲得普遍關(guān)注及應(yīng)用,但由于光學(xué)電流互感器通常所采用的磁光玻璃以及光纖光柵等傳感材料存在測量時(shí)信噪比較低與加工困難等問題阻礙了其在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。因此,尋找新型的光學(xué)電流傳感材料成為電力系統(tǒng)電流測量技術(shù)發(fā)展的迫切需要。
　　 鐵磁流體是一種表面包覆活性劑的納米磁性顆粒高度彌散于基液中形成的液態(tài)功能材料。在外加磁場作用下鐵磁流體薄膜表現(xiàn)出優(yōu)良的磁光特性。將鐵磁流體應(yīng)用于電流測

2、量領(lǐng)域的前期研究表明,鐵磁流體除了能夠?qū)﹄娏饕鸬拇艌鲈陟o態(tài)特性和動態(tài)響應(yīng)特性上顯著超越已有磁光材料外,且具有較高的靈敏度以及便于制備等特點(diǎn)。然而目前對于鐵磁流體磁光效應(yīng),特別是縱向磁致旋光效應(yīng)的研究尚處于初級階段,在一定程度上制約了鐵磁流體在電流測量領(lǐng)域中的實(shí)用化進(jìn)程。因此,本論文圍繞鐵磁流體縱向磁致旋光效應(yīng)的基本特性以及縱向磁致旋光效應(yīng)的微觀機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究。
　　 本文首先以水基鐵磁流體作為研究對象,對其磁學(xué)特性

3、、光學(xué)特性及其他物化特性進(jìn)行分析,并以此為基礎(chǔ)結(jié)合磁性顆粒非對稱介電張量模型,從電磁波的基本方程出發(fā),研究了線偏振光作為一種電磁波與各向異性磁性介質(zhì)相互作用的微觀機(jī)理,闡明了縱向磁致旋光效應(yīng)發(fā)生的過程以及影響因素的作用機(jī)制,進(jìn)一步完善了形成理論的研究模型并用瓊斯矩陣分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。其次,在自行研制的縱向磁致旋光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺的基礎(chǔ)上,通過線偏振光旋光輸出的靜態(tài)和動態(tài)測試,較為全面地研究了鐵磁流體縱向磁致旋光效應(yīng)的互易性。最后,基于耗散

4、粒子動力學(xué)的基本原理,分析了磁性顆粒長程相互作用對于外加磁場作用下鐵磁流體內(nèi)部動態(tài)凝聚過程的影響,探討了凝聚結(jié)構(gòu)的無序形態(tài)及相關(guān)參數(shù)與磁場和鐵磁流體的關(guān)系,為鐵磁流體鏈狀結(jié)構(gòu)的演化和縱向磁致旋光效應(yīng)的理論解釋提供有力佐證。論文取得的創(chuàng)新性成果主要有:
　　 ①系統(tǒng)研究了鐵磁流體縱向磁致旋光效應(yīng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性,結(jié)果表明鐵磁流體的磁致旋光效應(yīng)不僅對恒定磁場的靜態(tài)響應(yīng)具有良好的線性度,而且能夠?qū)蛔兇艌霭}沖磁場實(shí)現(xiàn)良好的動態(tài)

5、響應(yīng)。
　　 ②首次系統(tǒng)研究了鐵磁流體縱向磁致旋光效應(yīng)的互易性問題,發(fā)現(xiàn)鐵磁流體對縱向交變調(diào)制磁場的響應(yīng)與縱向調(diào)制磁場的方向無關(guān)。實(shí)驗(yàn)研究了在恒定磁場以及交變磁場作用下鐵磁流體縱向磁致旋光效應(yīng)互易性的一般規(guī)律。利用電磁理論的基本方程并結(jié)合磁性顆粒非對稱介電張量模型進(jìn)行理論分析,認(rèn)為互易性的本質(zhì)原因在于介電張量非對角項(xiàng)的反對稱性。由此提出一種新型的雙反光路光電式電流傳感器結(jié)構(gòu),可以有效抑制由于光源功率波動或環(huán)境溫度變化對于電流測量

6、造成的影響。
　　 ③修正了鐵磁流體縱向磁致旋光效應(yīng)的電磁理論模型,研究了外加磁場作用下磁性顆粒旋轉(zhuǎn)以及鏈狀凝聚結(jié)構(gòu)對于線偏振光作為電磁波在鐵磁流體內(nèi)部傳播過程的影響;提出了鐵磁流體縱向磁致旋光效應(yīng)的瓊斯矩陣,并對鐵磁流體在外加磁場作用下的弛豫過程進(jìn)行分析。
　　 ④首次實(shí)現(xiàn)外加磁場作用下鐵磁流體凝聚過程的三維耗散粒子動力學(xué)模擬。通過Ewald加和方法對磁性顆粒的長程相互作用力進(jìn)行處理,有效解決了Lennard-Jone