Вообразите бутерброд, который умеет превращать магнитное поле в электричество. О таком «съедобном» для техники устройстве ученые знают давно. Берут они один слой — тот, который сжимается, когда рядом есть магнит (это называется магнитострикционный эффект), и приклеивают к нему другой слой — тот, который при сжатии сам вырабатывает напряжение (пьезоэлектрический эффект). Получается этакий энергетический сэндвич.

Но вот незадача: сделать такой «бутерброд» идеально ровным, чтобы слои лежали строго друг на друге, как карты в колоде, почти никогда не получается. Да и не нужно это инженерам. Часто один слой специально делают выступающим за края другого. Почему? Из практических соображений. Если магнитный слой полностью закроет пьезоэлектрик, то к последнему просто не получится припаять провода — они окажутся под магнитом. Поэтому магнитный слой делают чуть короче, оставляя свободное место для контактов.

Однако раньше эта «неидеальность» сильно мешала расчетам. Инженеры работали практически вслепую: соберут конструкцию, проверят, работает или нет. Если нет — переделывают. Получалось дорого и долго, как подбор ключа к замку методом перебора.

Международная группа ученых, куда вошли специалисты Новгородского государственного университета (НовГУ), решила наконец разобраться в этом вопросе с научной точки зрения. Они детально изучили, что происходит, когда магнитная часть длиннее пьезоэлектрической, и наоборот. А заодно выяснили, как на итоговую работу влияют размеры электродов.

Сначала ученые построили сложную математическую модель, которая описывала поведение каждого миллиметра такого композитного «сэндвича». А потом проверили теорию на практике: склеивали настоящие образцы из керамической пластинки PZT-35 и специальных магнитных лент из сплава AMAG, а затем замеряли, насколько сильно они отзываются на переменное магнитное поле.

Результаты получились одновременно и ожидаемыми, и неожиданными.

Вот что выяснили исследователи:

• Правило золотого сечения. Для симметричной конструкции, где магнитные слои длиннее центрального пьезоэлектрика, нашли идеальное соотношение. Оказывается, магнитные «крылья» должны быть длиннее сердцевины в 1,4–2,5 раза. Если отойти от этого правила, эффективность падает.
• Цена асимметрии. Если сдвинуть слои или сделать их разной длины (например, укоротить магнитный слой на четверть, чтобы удобнее было припаять провода), то эффективность преобразования падает сразу в два раза. Потеря до 50% — это серьезная плата за удобство монтажа.
• Главная неожиданность. Самый интересный результат касается изгиба, а не растяжения.

Наиболее интересным оказался вывод о конструкции, работающей на изгиб, а не на растяжение, — рассказал один из участников исследования, сотрудник кафедры проектирования и технологии радиоаппаратуры Политехнического института Олег Соколов. — Если сделать электроды не на всю длину, а только на ее треть, то чувствительность датчика может вырасти в разы. Это происходит потому, что самые сильные деформации в материале при изгибе сосредоточены в определенном месте. Разместив электрод именно там, можно снять максимально возможный сигнал, игнорируя остальные, менее эффективные участки пластины.

Ученые подсчитали: если взять датчик из сплава пермендюр (это сплав железа, кобальта и ванадия) и покрыть электродами не всю пластину, а только одну треть, то он выдает мощность в 340 вольт на сантиметр-эрстед. Это очень высокий показатель, который бьет рекорды многих предыдущих разработок. Причем работает такой датчик лучше всего на частоте около 94,5 герц — это низкочастотный диапазон. Такие частоты отлично проходят сквозь воду и землю, что идеально подходит для подводной связи или геологоразведки, где высокие частоты глохнут.

Благодаря этой работе у инженеров теперь есть четкая инструкция.

Проектируя, к примеру, приемную антенну для подводной связи, работающую на частоте в несколько десятков килогерц, инженер может заранее рассчитать, какой длины должны быть слои в ее чувствительном элементе, чтобы получить максимальный сигнал, — рассказал Олег Соколов. — А создавая компактный датчик для обнаружения слабых магнитных аномалий, можно оптимизировать расположение электродов, чтобы получить из материала максимум чувствительности, не увеличивая его размеры.

Впрочем, до того как такие датчики появятся в каждом устройстве, нужно решить еще одну проблему. Пока что «дальнобойность» таких систем связи невелика — всего 10–20 метров.

Основная проблема массового внедрения таких датчиков — в характеристиках используемых материалов и геометрической конструкции магнитоэлектрического композита, — отметил учёный. — Требуется еще некоторое время для проведения исследований и нахождения решения задачи. Например, для магнитоэлектрической антенны сейчас основная проблема — недостаточная дальность излучения. Получена дальность 10-20 метров. Для использования системы связи на практике требуется хотя бы на порядок (в 10 раз) увеличить дальность, на которой приемная антенна сможет принимать без искажения информацию, переданную излучающей антенной.

По словам Олега Соколова, последние эксперименты вселяют надежду: увеличить дальность в 10 раз получится уже в ближайшем будущем. Исследование провели при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ), а его результаты опубликовали в авторитетном журнале Journal of Applied Physics.