Автореферат (Гигантский магнитоимпеданс и высокочастотные нелинейные эффекты в магнитомягких проводниках), страница 7

При H0 >> Ha амплитуды нечётных гармоникасимптотически стремятся к значению 2Vс 0 , а амплитуды чётных гармоникубывают пропорционально kHa / H0 . Вклад высших гармоник в частотныйспектр напряжения становится существенным при достаточно больших значениях Hdc , а при Hdc > Ha + H0 сигнал в катушке исчезает, поскольку намагниченность проволоки не изменяется в течение всего цикла изменения поля.Во втором разделе главы исследован частотный спектр сигнала напряжения, снимаемого с концов аморфной проволоки с геликоидальной анизотропией, при воздействии на неё продольного переменного магнитного поля.

Этотэффект также может быть назван нелинейным недиагональным магнитоимпедансом, так как при малых амплитудах переменного поля напряжение пропорционально недиагональной компоненте поверхностного импеданса проволоки[9]. Если амплитуда переменного поля превышает пороговое значение Hth , в частотном спектре напряжения возникают высшие гармоники. Пороговое полеHth может быть найдено при помощи соотношенияH th  H dc  H a (cos2 / 3   sin 2 / 3  ) 3 / 2 .(38)На Рис. 12 представлены зависимости амплитуд гармоник напряжения Vkот величины постоянного магнитного поля Hdc , рассчитанные в пределе слабого скин-эффекта.

При относительно малых амплитудах переменного магнитного поля в частотном спектре напряжения доминирует первая гармоника. В нулевом постоянном магнитном поле чётные гармоники пренебрежимо малы, анечётные гармоники отличны от нуля. При этом все гармоники имеют дополнительные максимумы при ненулевом постоянном магнитном поле.

При высоких значениях амплитуды переменного поля относительный вклад высшихгармоник в частотный спектр напряжения возрастает, а амплитуда первой гармоники монотонно уменьшается с увеличением постоянного поля Hdc.Рассчитанные зависимости качественно описывают изменения частотногоспектра напряжения при увеличении амплитуды переменного магнитного поля,которые наблюдались в эксперименте, проведённом в ИТПЭ РАН. Количественное расхождение между результатами расчётов и экспериментальными данными связано, в первую очередь, со скин-эффектом, который не учитывается в30Рис.

12. Рассчитанные зависимости амплитуд гармоник напряжения на концах проволоки Vkот величины постоянного магнитного поля Hdc при  = 0.1 и различных H0 .предложенной модели. Следует отметить, что в отличие от нелинейного отклика напряжения, индуцированного пропусканием по образцу тока большой амплитуды, при перемагничивании высокочастотным продольным магнитным полем как чётные, так и нечётные гармоники в частотном спектре напряженияимеют высокую чувствительность к постоянному магнитному полю.В третьем разделе главы приведены результаты теоретического исследования нелинейного магнитоимпеданса аморфной проволоки с циркулярнойанизотропией при её одновременном возбуждении переменным током и продольным переменным магнитным полем.Выражение для частотного спектра напряжения на концах проволоки было получено в пределе слабого скин-эффекта.

Высшие гармоники появляются вчастотном спектре напряжения, когда происходит перемагничивание поверхностной области проволоки. В присутствии продольного переменного полявозникает асимметрия в зависимости циркулярной компоненты намагниченности от переменного поля, и в результате происходит усиление чётных гармоникв частотном спектре напряжения.Результаты проведённого исследования показали, что все чётные гармоники имеют схожую зависимость от внешнего поля, а наибольшую амплитудуимеет четвёртая гармоника. При малых, а также сравнительно больших значениях амплитуды продольного переменного поля H0 относительные измененияамплитуд чётных гармоник слабо зависят от амплитуды тока I0 . В промежуточном интервале значений H0 относительные изменения амплитуд гармоникуменьшаются с увеличением амплитуды тока. При этом максимальная чувствительность чётных гармоник достигается при не слишком больших амплитудахвозбуждающих полей, порядка поля анизотропии проволоки.31В заключительном разделе главы исследовано влияние слабого продольного переменного магнитного поля на частотный спектр напряжения, возникающего в измерительной катушке, намотанной вокруг аморфной проволоки сциркулярной анизотропией, по которой протекает переменный ток.

В случаеслабого скин-эффекта напряжение в катушке может быть представлено в виде1Vc / V0 M 2 M z [ x cos(2 f 0t ) M z   cos(2 f1t ) M  ]xdx [H dc  H0330 sin( 2 f1t )]M   (4 I 0 / cD ) x sin( 2 f 0t ) M z,(36)где V0 = 16 NDI0 f0 / c ,  = cDH0 f1 / 4I0 f0 , f0 и f1  частоты переменного тока ипродольного поля, а компоненты намагниченности определяются из уравнений32( M 2  M 2 )[H a M   (8 / cD 2 ) MI 0 sin( 2 f 0t )]2 [ H dc  H 0 sin( 2 f1t )]2 M 2 M 2 ,(37)M z2  M 2  M 2 .При малых амплитудах тока в частотном спектре напряжения доминируют гармоники с частотой тока и с частотой переменного магнитного поля. Приболее высоких амплитудах тока из-за перемагничивания части проволоки отклик напряжения становился нелинейным.

В этом интервале амплитуд переменного тока в частотном спектре напряжения возникают комбинационные гармоники с частотами mf0  nf1 , где m, n  целые числа.Рассчитанная зависимость амплитуды Vcom основной комбинационнойгармоники с частотой 2f0  f1 от амплитуды тока при фиксированном значенииHdc и различных амплитудах переменного поля показана на Рис. 13. При малыхамплитудах тока величина Vcom равна нулю.

Комбинационная гармоника появляется в частотном спектре напряжения, если амплитуда тока превышает значение, соответствующее минимальной амплитуде тока, при которой происходит перемагничивание части проволоки, и возникает нелинейность в зависимости намагниченности от внешних полей. С дальнейшим увеличением амплитуды тока комбинационная гармоника возрастает, проходит через максимум ирезко падает до нуля. Максимум амплитуды гармоники возрастает примернолинейно с увеличением амплитуды переменного поля. Подобное поведение основной комбинационной гармоники наблюдалось для аморфных и композитных проволок в эксперименте, проведённом в ИТПЭ РАН.Изменение амплитуды комбинационной гармоники с возрастанием амплитуды возбуждающего тока может быть объяснено следующим образом.

Проволока начинает перемагничиваться, когда амплитуда поля тока достигает критического значения. Если амплитуда тока немного ниже порогового значения,то малое переменное поле может вызвать перемагничивание образца в некото-32Рис. 13. Рассчитанная зависимость амплитуды основной комбинационной гармоники Vcom отамплитуды тока I0 при Hdc / Ha = 0.5, f1 / f0 = 1.8 и различных значениях H0.рых циклах изменения тока, а если амплитуда тока несколько выше порога,продольное переменное поле не позволяет образцу перемагничиваться в какихто циклах изменения тока.

Этот процесс вызывает резкое возрастание сигналана комбинационных частотах в узкой области амплитуд переменного тока. Ширина этой области пропорциональна амплитуде продольного переменного магнитного поля. С ростом амплитуды тока область проволоки, в которой слабоепеременное магнитное поле может повлиять на процесс перемагничивания ивызвать возникновение комбинационных гармоник, перемещается внутрь образца.

При больших амплитудах тока размер этой области начинает уменьшаться, и амплитуды комбинационных гармоник затухают.В седьмой главе изложены результаты исследования нелинейного недиагонального магнитоимпеданса в многослойных плёночных структурах.В первом разделе главы проанализированы условия возникновения различных структур распределения намагниченности в трёхслойном плёночномобразце, состоящем из двух магнитомягких плёнок толщины d, разделённыхвысокопроводящим немагнитным слоем толщины . В зависимости от величины поперечной магнитной анизотропии могут возникать различные структурыраспределения намагниченности в ферромагнитных слоях. Для полосовой доменной структуры свободная энергия многослойного образца состоит из энергии полей рассеяния и энергии доменных границ. Энергия полей рассеяния может быть найдена из решения трёхмерного уравнения Лапласа для потенциаламагнитного поля с граничными условиями, соответствующими периодическомуизменению магнитного заряда на поверхности образца.

Решение уравненияЛапласа приводит к следующему выражению для свободной энергии U1 :33U1 16M 2ld 22n 01(2n  1) 304 wlwsin 2 q sin 2 {(1   / d )q}dq.q 2 [1   2 q 2 /(2n  1) 2 ]1 / 2(41)Здесь l и w  длина и ширина трёхслойного образца,  = 2a / d, a  равновесныйразмер домена и  w  энергия единицы площади доменной границы.Размер домена определяется из условия минимума свободной энергии и вобщем случае может быть найден численно. Когда толщина ферромагнитнойплёнки становится меньше размера домена в массивном образце1/2a0 = 0.76( ww) / M, равновесный размер домена начинает резко возрастать, асвободная энергия U1 убывает.

При этом с уменьшением толщины прослойкиразмер домена уменьшается при фиксированной толщине ферромагнитнойплёнки. При некоторой критической толщине плёнки размер домена неограниченно возрастает, и решение, соответствующее поперечной полосовой доменной структуре, исчезает.В трёхслойном образце свободная энергия может снижаться без образования доменной структуры. В этом случае векторы намагниченности в ферромагнитных плёнках антипараллельны. Результаты расчётов показывают, что если величина анизотропии и ширина образца малы, энергетически выгодной является ситуация, в которой векторы намагниченности в ферромагнитных плёнках ориентированы вдоль длинной стороны образца. При малой величине поперечной анизотропии в достаточно широких образцах доменная структура отсутствует, а векторы намагниченности в плёнках имеют поперечное направление.