Диссертация (Гигантский магнитоимпеданс и высокочастотные нелинейные эффекты в магнитомягких проводниках)

Федеральное государственное бюджетное учреждение наукиИнститут теоретической и прикладной электродинамики РАННа правах рукописиБузников Никита АлександровичГигантский магнитоимпеданс и высокочастотныенелинейные эффекты в магнитомягких проводникахСпециальность 01.04.11  физика магнитных явленийДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква  20142СодержаниеВведение ........................................................................................................................................4Глава 1.

Литературный обзор ................................................................................................... 131.1. Гигантский магнитоимпеданс ..................................................................................... 131.2. Теоретические модели для описания эффекта ГМИ .................................................

161.3. Материалы, в которых проявляется эффект ГМИ .................................................... 221.4. Влияние внешних механических напряжений на ГМИ ............................................ 351.5. Недиагональный магнитоимпеданс ............................................................................ 361.6.

Асимметричный ГМИ .................................................................................................. 401.7. Нелинейный магнитоимпеданс ................................................................................... 451.8. Датчики на основе эффекта ГМИ и их приложения ................................................. 48Глава 2. Магнитоимпеданс композитных проволок ............................................................ 522.1. Распределение полей: основные уравнения...............................................................

522.2. Выражения для импеданса композитных проволок при высоких и низкихчастотах ......................................................................................................................... 562.3. Анализ распределения тока и зависимостей магнитоимпеданса вкомпозитных проволоках от частоты и внешнего поля ........................................... 602.4.

Влияние доменной структуры на поглощение микроволнового излучениякомпозитными проволоками ....................................................................................... 682.5. Магнитоимпеданс композитных проволок с изолирующим слоем......................... 71Глава 3. Асимметричный магнитоимпеданс в аморфных проводниках споверхностными кристаллическими слоями .......................................................... 773.1. Динамика доменных границ и частотная зависимость асимметричногогигантского магнитоимпедасна в аморфных лентах, отожжённых впродольном магнитном поле .......................................................................................

773.2. Влияние поверхностных кристаллических слоёв на асимметричныйгигантский магнитоимпеданс аморфных лент .......................................................... 863.3. Асимметричный недиагональный магнитоимпеданс в аморфных лентах,отожжённых в продольном магнитном поле ............................................................. 923.4. Возникновение второй гармоники в частотном спектре недиагональногомагнитоимпеданса аморфных лент .............................................................................

1023.5. Влияние постоянного тока на асимметричный недиагональныймагнитоимпеданс аморфных лент .............................................................................. 1113.6. Асимметричный гигантский магнитоимпеданс в аморфных проволоках,отожжённых в поле постоянного тока ....................................................................... 1153Глава 4.

Нелинейный недиагональный магнитоимпеданс в магнитомягкихпроволоках .................................................................................................................... 1264.1. Нелинейный недиагональный магнитоимпеданс в аморфных проволоках сциркулярной анизотропией ......................................................................................... 1264.2. Влияние геликоидальной анизотропии на нелинейный недиагональныймагнитоимпеданс в аморфных проволоках................................................................ 1384.3. Нелинейный недиагональный магнитоимпеданс в композитных проволоках ......

1454.4. Влияние движения доменных границ на возникновение второй гармоники вчастотном спектре магнитоимпеданса аморфных проволок.................................... 149Глава 5. Влияние скручивающих напряжений и постоянного тока намагнитоимпеданс аморфных проволок .................................................................. 1585.1. Изменение магнитоимпеданса аморфных проволок с отрицательноймагнитострикцией при воздействии скручивающих напряжений .......................... 1585.2. Возникновение высших гармоник в частотном спектре магнитоимпедансааморфных проволок при воздействии скручивающих напряжений .......................

1675.3. Влияние постоянного тока на нелинейный магнитоимпеданс аморфныхпроволок с циркулярной анизотропией ..................................................................... 176Глава 6. Нелинейный отклик напряжения при возбуждении магнитомягкихпроволок переменным магнитным полем ............................................................. 1826.1. Частотный спектр напряжения в измерительной катушке при возбужденииаморфных проволок продольным переменным магнитным полем .........................

1826.2. Нелинейный недиагональный импеданс при возбуждении аморфныхпроволок продольным переменным магнитным полем............................................ 1856.3. Усиление чётных гармоник в частотном спектре магнитоимпеданса аморфныхпроволок в присутствии продольного переменного магнитного поля ................... 1906.4 Возникновение комбинационных гармоник в частотном спектре напряжения,снимаемого с магнитомягких проволок .....................................................................

195Глава 7. Процесс перемагничивания и нелинейный недиагональныймагнитоимпеданс в многослойных плёночных структурах ............................... 2037.1. Доменная структура трёхслойных плёночных образцов .......................................... 2037.2. Нелинейный недиагональный магнитоимпеданс трёхслойныхплёночных структур с наведённой анизотропией в магнитных слоях .................... 208Заключение ...................................................................................................................................

220Список публикаций по теме диссертационной работы ....................................................... 225Список литературы ..................................................................................................................... 2314ВведениеЯвление магнитоимпеданса заключается в изменении комплексного сопротивления ферромагнитного проводника, возбуждаемого переменным током,в присутствии внешнего магнитного поля.

Интерес к этому эффекту резко возрос, после того как были обнаружены большие изменения импеданса в магнитомягких аморфных проволоках и лентах [1,2]. Относительное изменение импеданса в магнитомягких проводниках в области слабых внешних полей достигает нескольких сотен процентов, и этот эффект получил название гигантскогомагнитоимпеданса (ГМИ).

В течение двух последних десятилетий ГМИ наблюдался во многих магнитомягких материалах с различной структурой и геометрией: аморфных и нанокристаллических проволоках и лентах, тонких плёнках,многослойных плёночных структурах, микропроволоках в стеклянной оболочке, композитных проволоках, состоящих из немагнитной центральной областии магнитомягкой оболочки, и др. [3,4].Природа ГМИ может быть объяснена в рамках классической электродинамики на основе представлений о скин-эффекте и зависимости толщины скинслоя от величины эффективной магнитной проницаемости.

В магнитомягкихпроводниках скин-эффект возникает при частотах, которые на несколько порядков ниже, чем в немагнитных материалах с такой же проводимостью. Крометого, для возникновения ГМИ необходимо, чтобы изменение внешнего полясущественно влияло на магнитную проницаемость. Исследование проводниковс высокой чувствительностью импеданса к магнитному полю и выявлениеусловий, при которых проявляется эффект ГМИ, являются динамично развивающимися направлениями прикладной электродинамики и физики магнитныхматериалов.Эффект ГМИ привлекает большое внимание исследователей, так как высокая чувствительность импеданса к внешнему магнитному полю является перспективной для многих приложений.

В частности, датчики на основе ГМИ могут использоваться для магнитной дефектоскопии, в медицине, для систем позиционирования, в градиентометрах, в электронных устройствах и т.д. [5].5Одно из проявлений магнитоимпеданса заключается в возникновении зависящего от внешнего поля линейного отклика напряжения в измерительнойкатушке, намотанной на образец, [6]. Этот эффект получил название недиагонального магнитоимпеданса. Возникновение сигнала в измерительной катушкесвязано с тем, что прецессия намагниченности под действием поля переменного тока приводит к изменению магнитной индукции как в поперечном, так и впродольном направлении.

Экспериментальные исследования показали, что вомногих случаях недиагональный магнитоимпеданс имеет ряд преимуществ дляприложений по сравнению с ГМИ, так как отклик напряжения в катушке является более чувствительным к внешнему полю.Большинство исследований ГМИ проводились при относительно малыхамплитудах переменного тока, когда измеряемое напряжение пропорциональноимпедансу проводника, который не зависит от амплитуды тока. При более высоких амплитудах тока измеряемый сигнал становится нелинейным и включаетв себя множество частотных гармоник [7,8]. Для краткости и следуя традициямисследований ГМИ, этот режим часто называют нелинейным магнитоимпедансом.