F_06_magn (Лекции (Ляхова)), страница 2

Магнитное поле убывает экспоненциально вглубь проводника:

Н (x) = Н_o еxp(-х/d) .

По мере увеличения напряженности Н_о растет поверхностный ток I_пов , который увеличивает энергию электронов куперовской пары. Если эта энергия станет больше энергии связи куперовской пары, то она разрушится. Сверхпроводящее состояние исчезнет.

Поскольку Н_о = Н_вихр , В_о = В_i , внутри сверхпроводника индукция В = 0 и проницаемость  = 0 . Именно поэтому сверхпроводник и называют идеальным диамагнетиком.

Эффект левитации.

Левитация – это эффект парения в свободном пространстве. Эффект левитации создается магнитной системой F_m, противодействующей силе тяжести Mg - создается так называемая «магнитная подушка». Включается электромагнит - магнитный объект отталкивается от него.

Рис. Схема электромагнитной левитации.

Для левитации сверхпроводников используется эффект Мейснера. Охлаждение ниже критической для сверхпроводников температуры создает условия фазового перехода из пара- или ферромагнитного состояния - в диамагнитное. В результате появляется сила отталкивания между диамагнитным объектом и постоянным магнитом.

Рис. Левитация сверхпроводника (эффект Мейснера).

Эффект магнитной левитации используется в двигателях с целью уменьшения трения, а также для транспортирования ферромагнитных объектов: магнитных деталей или держателей. Малоразмерные объекты не требуют катушек индуктивности с большими токами в обмотках в отличие от макрообъектов. Именно большие токи и, следовательно, большие потери делают рациональным использование сверхпроводников для мощных магнитных систем.

Электронный парамагнитный резонанс.

Парамагнетики обладают небольшим постоянным магнитным моментом атомов. Они мало увеличивают магнитную индукцию образца. Магнитное взаимодействие между атомами парамагнетика пренебрежимо мало, поэтому характерный для уединенного атома эффект расщепления энергетического уровня в магнитном поле на ряд подуровней не искажается. Подуровни различаются магнитными квантовыми числами. Расстояние между подуровнями:

E = g _в _о H_о , где g - множитель Ланде.

m_l

3/2

g _в _о H_о

Исходный уровень

1/2

g _в _о H_о

- 1/2

g _в _о H_о

-3/2

Рис. Схема разделения уровня энергии свободного атома на подуровни в магнитном поле.

Переход на более высокий энергетический уровень может вызвать поглощение энергии электромагнитного поля, квант энергии которого:

h = g _в _о H_о.

Т.е. происходит резонансное (интенсивное) поглощение энергии электромагнитного поля на частоте, кратной . Этот эффект называют электронным парамагнитным резонансом (ЭПР).

ЭПР используется для создания парамагнитных усилителей и генераторов, для исследования электронного состояния твердых тел, биологических объектов, химических (технологических) процессов в режиме реального времени.

Рис. Схема спектрометра ЭПР: 1 - микроволновый генератор, 2 – волновод, 3 - резонатор, 4 - магнит, 5 - детектор, 6 - усилитель, 7 – регистрирующее устройство.

Ферромагнетики.

У ферромагнетиков большой постоянный атомный магнитный момент и собственное магнитное поле превышает внешнее:  >> 1. В пределах домена магнитные моменты ориентированы параллельно, в отличие от антиферромагнетиков с антипараллельным упорядочиванием и ферримагнетиков с различной величиной антипараллельных магнитных моментов. В кристалле совмещены 2 кристаллические подрешетки, намагниченные противоположно.

Ферримагнетики (больше известные как ферриты) близки по своим свойствам к ферромагнетикам, обладая постоянным магнитным моментом за счет одной из подрешеток, но имеют высокое электрическое сопротивление. Благодаря этому существенно снижаются потери на вихревые токи. Состав ферритов: Me O Fe₂ O₃ , где Ме О - двухвалентный ион металла Mg, Ni, Co, Mn, Cu ... Используются ферриты для сердечников катушек индуктивности, невзаимных СВЧ устройств, в качестве поглотителей (в том числе и безэховых камер).

Степень взаимной ориентированности постоянных магнитных моментов существенно зависит от температуры. Чем выше температура, тем более хаотичным становится их расположение. При температуре (ферромагнитной точке) Кюри _К происходит фазовый переход. Изменяется структура кристаллической решетки и, как следствие, изменяются многие физические свойства. Ферромагнитные свойства утрачиваются - вещество становится парамагнетиком. Этот эффект используется при термомагнитной записи (лазерное нагревание и перемагничивание) и экстренном уничтожении информации на магнитном диске. Для нанокластеров и аморфных сплавов температура Кюри ниже и менее точно определена.

Таблица

Влияние нагревания иллюстрирует так называемый «магнитотепловой» привод.

Рис. Схема функционирования «магнитотеплового» привода

Небольшой магнитик подвешен над свечой как маятник. Он притягивается большим магнитом. Как только температура магнитика перейдет точку Кюри, магнитик потеряет ферромагнитные свойства. Маятник оттянет его от большого магнита. Остыв, магнитик вновь притянется к большому магниту. Таким образом, формируется периодическое движение маятника – основа магнитотеплового привода. Внешнее магнитное поле переориентирует все большее число магнитных моментов по мере увеличения напряженности. Относительная магнитная проницаемость  оценивает способность вещества намагничиваться:  = _о ( dB / d H ), _о = 4 10^-7 [Гн/м]. Доменная структура ферромагнетиков предопределяет петлю гистерезиса в зависимости В(Н). Наличие индукции насыщения говорит о том, что при большой напряженности магнитного поля Н проницаемость  уменьшается.

B, 

_max B_нас

B 

H

Рис. Кривая намагничивания В(Н) и зависимость  (Н).

Основными характеристиками намагничивания являются : В_r - остаточная индукция после снятия магнитного поля, В_нас - индукция насыщения и соответствующая ей напряженность Н_max, Н_с - коэрцетивная сила - напряженность, сводящая индукцию В к 0.

В В_нас

В_r

В(Н)

H_c Н

Н_max

Рис. Магнитный гистерезис.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна работе перемагничивания и полностью переходит в тепло. Для переменного поля петля гистерезиса должна быть узкой: Н_с < 1 А / м , - магнито - мягкие материалы. Для постоянных магнитов используют магнито -твердые материалы с Н_с > 10.000 А / м. Размагничивание таких материалов происходит при нагревании или механическом воздействии.

Наличие остаточной индукции В_r при Н = 0 позволяет делать переключающие (2 состояния: В = 0 и В  0 или В = +... и В = -...) логические элементы, в том числе с использованием ферромагнитных пленок толщиной 100...600 нм, т.е. в один домен. Это на 2 - 3 порядка сокращает время переключения и увеличивает Н_с , что, в свою очередь, увеличивает надежность сохранения информации.

Магниторезонансные исследования.

Нано- и микрочастицы ферромагнетиков используют для отслеживания потоков, в медицинских целях – чаще Fe, чем ядовитый кобальт (Co). Включенные в состав лекарства частицы позволяют внешним магнитом направлять лекарство в нужное место – «целевая лекарственная химиотерапия». Частицы, прикрепленные к биомолекулам, становятся «магнитными курьерами» - магнитоуправляемыми сорбентами. С их помощью можно проводить магниторезонансные исследования (МРИ), метить раковые опухоли для последующего уничтожения.

Рис. Схема прикрепления ферромагнетиков к биомолекулам.

  Для защиты документов может быть использована «наномагнитная метка». (Не поддается подделке из-за сложности получения нано объектов.) Она идентифицируется в магнитном поле по частоте поглощения, вызванной магнитным резонансом.

Ферромагнитный резонанс.

При одновременном приложении постоянного и переменного магнитных полей к ферромагнетику можно получить ферромагнитный резонанс. Постоянное поле вызывает прецессию магнитного момента с ларморовой частотой _L под углом . Переменное магнитное поле, перпендикулярное постоянному, с частотой , близкой к _L увеличивает угол прецессии . При совпадении частот  = _L этот угол максимален. При этом в веществе максимально поглощается энергия. Чем выше качество кристалла, тем больше поглощается энергии и тем уже полоса ферромагнитного резонанса, т.е. выше добротность. Этот эффект используется для высокодобротных СВЧ фильтров.

Цилиндрические магнитные домены.

Кристаллы ферромагнетиков анизотропны при намагничивании. Например, монокристалл Fe легче намагничивается вдоль ребер элементарной ячейки, Ni - вдоль пространственных диагоналей. Данное направление называется осью легчайшего намагничивания (ОЛН).

В тонких пластинках или пленках одноосных кристаллов с перпендикулярным расположением к поверхности оси легчайшего намагничивания (ОЛН) могут возникать цилиндрические магнитные домены (ЦМД).

Во внешнем магнитном поле Н_о вдоль ОЛН разрастаются домены одинакового направления намагниченности и уменьшаются домены антипараллельного направления (из всех других направлений это труднее развернуть).