Автореферат (Гигантский магнитоимпеданс и высокочастотные нелинейные эффекты в магнитомягких проводниках), страница 6

В рамкахпредложенной модели амплитуда первой гармоники линейно возрастает с амп2литудой тока, а вторая гармоника пропорциональна I0 . Амплитуды гармоникимеют разные частотные зависимости: первая гармоника практически не зависит от частоты, а вторая гармоника возрастает примерно линейно с увеличением частоты.Амплитуды первой и второй гармоник напряжения в катушке увеличиваются примерно линейно с частотой. Амплитуда второй гармоники возрастает суменьшением угла отклонения оси анизотропии от азимутального направления.Так как домены с противоположным направлением циркулярной компонентынамагниченности дают вклад разного знака в напряжение в измерительной катушке, в аморфной проволоке с циркулярной анизотропией первая гармоникаисчезает, и вторая гармоника является основной в частотном спектре напряжения. С увеличением угла отклонения оси анизотропии первая гармоника возрастает в частотном спектре напряжения, а вторая гармоника уменьшается.В пятой главе изучено влияние скручивающих напряжений и постоянного тока на ГМИ и нелинейный магнитоимпеданс в аморфных проволоках.В первом разделе главы исследован ГМИ в аморфной проволоке с отрицательной магнитострикцией, к которой приложено постоянное скручивающеенапряжение.

Минимизация плотности свободной энергии приводит к следующему уравнению для равновесного угла намагниченности в проволоке  :H a sin(   ) cos(   )  ( H / 2) cos 2  H e cos  0 .25(27)Здесь H  поле магнитоупругой анизотропии:H  3 s G  / M  H max  / a ,(28)где s < 0  коэффициент магнитострикции, G  модуль сдвига,   скручивающая деформация, a  радиус проволоки и Hmax = H (a) = 3sG a / M  значениеполя магнитоупругой анизотропии на поверхности проволоки.

Из выражения(28) следует, что для положительных значений скручивающей деформации поле магнитоупругой анизотропии H является отрицательным.В области малых полей уравнение (27) имеет два решения, и скручивающие напряжения существенно изменяют распределение намагниченности. В отсутствие напряжений и при малых отрицательных H , циркулярная компонентанамагниченности является положительной при He > Ha , тогда как при относительно больших отрицательных H циркулярная компонента намагниченностистановится отрицательной. Так как поле магнитоупругой анизотропии линейноувеличивается по радиальной координате, область с отрицательной циркулярной компонентой намагниченности возникает на поверхности проволоки приотносительно больших .Изменение знака циркулярной компоненты намагниченности происходит,когда H = Ha sin2. Для порогового значения деформации имеем: cr  MH a sin 2 / 3 s Ga .(29)Зависимость импеданса от внешнего поля была рассчитана в пределесильного скин-эффекта с учётом изменения знака циркулярной компонентынамагниченности при  > cr.

При малых  импеданс резко возрастает с увеличением скручивающей деформации, и поле, соответствующее максимуму импеданса, убывает. Чувствительность импеданса к полю максимальна для  = cr,а при  > cr магнитная проницаемость падает, что приводит к уменьшениючувствительности. Аналогичное поведение зависимости импеданса от поля приизменении  наблюдалось для аморфных проволок на основе кобальта [15].Зависимость относительного изменения импеданса Z от величины скручивающей деформации показана на Рис. 10.

Эта зависимость является асимметричной с резким максимумом при  = cr . Максимум сдвигается в сторонубóльших напряжений с увеличением угла отклонения оси анизотропии от азимутального направления. Подобное асимметричное поведение зависимости величины ГМИ от скручивающей деформации наблюдалось в экспериментах саморфными проволоками на основе кобальта [15,16]. Отжиг проволок в присутствии скручивающих напряжений вызывал увеличение асимметрии, а отжигв поле тока приводил к более симметричной форме зависимости [15].

Эти результаты могут быть объяснены следующим образом. Отжиг в поле тока при-26Рис. 10. Зависимость относительного изменения импеданса проволоки Z от скручивающейдеформации  при f =500 кГц и различных значениях угла оси анизотропии  . Параметры,16 1использованные при расчётах: a = 60 мкм, M = 600 Гс, Ha = 2 Э,  = 10 с ,  = 0.1,7s = 2  10 , G = 80 ГПа.водит к релаксации внутренних напряжений и уменьшает угол отклонения осианизотропии от азимутального направления. С другой стороны, отжиг в присутствии скручивающих напряжений приводит к развитию геликоидальнойанизотропии в проволоке [16]. Таким образом, результаты моделирования позволяют качественно объяснить изменение зависимости величины ГМИ от скручивающих напряжений, связанное с изменением угла оси анизотропии.В следующем разделе главы исследовано влияние скручивающих напряжений на нелинейный магнитоимпеданс аморфной проволоки. В области низких частот напряжение Vw на концах проволоки можно представить в виде1Vw  Rdc I 0 exp(it )[1  i(a / 2 ) (1   sin  0 )]  (Vw0 / M )  (M  / t )dx , (30)220M 2iI 0 M x exp(it ) M z2,tcaH aP ( x, t )P( x, t )  ( M 2  M z2 ) cos 2  2M  M z [ H  ( x) / H a  sin 2 ](31) MM (2 I 0 / caH a ) x exp(it )  MM z H e / H a .Здесь Vw 0 = 4 Mla / c,   эффективная магнитная проницаемость, а равновесный угол намагниченности  0 определяется выражением (28) при H = Hmax .Изменения в частотном спектре напряжения при увеличении амплитудытока связаны с перемагничиванием поверхностной области проволоки полем27Рис.

11. Зависимость чувствительности второй гармоники S2 от величины скручивающей деформации  при 2I0 / caHa = 1.5 и различных значениях угла оси анизотропии  :  = 0 (1);0.05 (2); 0.1 (3);  = 0.15 (4). Параметры, использованные при расчётах: 2a = 50 мкм,16 17M = 600 Гс, Ha = 1 Э,  = 10 с , s = 2  10 , G = 80 ГПа.тока. Перемагничивание происходит, когда амплитуда поля на поверхности*проволоки превышает пороговое значение H , определяемое уравнением2/3( H e sin   H* cos ) 2 / 3  ( H e cos  H* sin  ) 2 / 3  H eff.(32)Здесь  и Heff –эффективные угол и поле анизотропии: (  )  (1 / 2)arctg(H a sin 2  H (  ) / H a cos 2 ) ,H eff (  )  H a cos 2 / cos 2 .(33)(34)При положительных значениях Hmax эффективный угол анизотропии иэффективное поле анизотропии монотонно возрастают от центра проволоки кеё поверхности.

При Hmax < 0 угол  уменьшается от значения  =  при  = 0.Если Hmax < Ha sin2 , знак эффективного угла анизотропии изменяется вблизиповерхности проволоки. При этом распределение поля Heff по радиальной координате имеет минимум, и положение минимума сдвигается к центру проволоки с увеличением модуля Hmax.На Рис. 11 представлена зависимость чувствительности второй гармоникиS2 от величины скручивающей деформации при различных значениях угла анизотропии  . Для проволоки с циркулярной анизотропией амплитуда второйгармоники равна нулю при  = 0. С увеличением скручивающей деформациичувствительность второй гармоники возрастает, проходит через максимум и затем убывает.

Рассчитанная зависимость S2 от величины деформации находитсяв качественном согласии с результатами эксперимента на проволоках с малой28отрицательной магнитострикцией [17]. Полученная зависимость может бытьобъяснена изменениями эффективного поля анизотропии и эффективного углаанизотропии.

Эффективный угол анизотропии возрастает с величиной приложенных напряжений, и усиление геликоидальной анизотропии приводит к возрастанию амплитуды второй гармоники. С другой стороны, увеличение деформации приводит к возрастанию эффективного поля анизотропии, и в результатеамплитуда второй гармоники уменьшается при достаточно больших  .Для проволоки с геликоидальной анизотропией чувствительность второйгармоники стремится к нулю при    cr , где критическое значение деформацииопределяется из условия Hmax ( cr ) = Ha sin2.

Зависимость чувствительностивторой гармоники от деформации имеет два пика, и максимальная чувствительность слабо возрастает с увеличением  . Подобное поведение чувствительности второй гармоники наблюдалось в эксперименте [18].Чувствительность второй гармоники резко возрастает при малых амплитудах тока, достигает максимума и затем медленно уменьшается с ростом I0 .Результаты расчётов показали, что при любом значении скручивающей деформации максимальная чувствительность к полю достигается в диапазоне амплитуд тока 2I0 / caHa  0.5  1, и дальнейшее увеличение амплитуды тока не приводит к возрастанию чувствительности.

Для аморфной проволоки диаметром50 мкм и длиной 1 см чувствительность второй гармоники составляет примерно100 мВ/Э при частоте 500 кГц и амплитуде тока 15 мА.В заключительном разделе главы представлены результаты исследованиядругого механизма, приводящего к возникновению чётных гармоник в нелинейном магнитоимпедансе, связанного с пропусканием постоянного тока Ib через аморфную проволоку с циркулярной анизотропией.С увеличением постоянного тока амплитуда первой гармоники монотонно уменьшается.

Зависимость амплитуды второй гармоники от величины постоянного тока является более сложной. При малых Ib амплитуда второй гармоники возрастает, а с дальнейшим увеличением Ib максимум зависимости амплитуды второй гармоники от величины постоянного тока уменьшается и становится более размытым. При этом с возрастанием постоянного тока поле максимума сдвигается в сторону более высоких значений внешнего поля. Чувствительность второй гармоники резко возрастает при малых Ib , достигает максимума и затем медленно уменьшается. Результаты расчётов показывают, чтомаксимальная чувствительность достигается в узком диапазоне значений Ib , иоптимальная величина постоянного тока определяется соотношением Ib  0.6I0.В шестой главе исследован нелинейный отклик напряжения при возбуждении магнитомягких проволок переменным магнитным полем.В первом разделе главы проанализирован отклик напряжения в катушке,намотанной на аморфную проволоку с циркулярной анизотропией, находящей29ся в продольном поле с постоянной составляющей Hdc и переменной составляющей Hac = H0sin(t).

При малых амплитудах переменного поля сигнал в катушке является линейным и содержит только первую гармонику. ПриHac > Ha  Hdc намагниченность проволоки остаётся постоянной в течение частипериода изменения тока, и в частотном спектре напряжения в катушке возникают высшие гармоники.При фиксированном постоянном поле амплитуды нечётных гармоник монотонно возрастают с увеличением H0 , а амплитуды чётных гармоник проходятчерез максимум и затем убывают.