Автореферат (Эффект магнитоимпеданса в ферромагнитных микроструктурах и композитных средах), страница 7

Полевые зависимости недиагонального импеданса (пленкавозбуждается током, а сигнал снимается с катушки) представлены на Рисунке 14.Рисунок 14. Полевые зависимости недиагонального импеданса пленки NiFe/Au/NiFeдлиной 5 мм с планарной катушкой (23 витка), выраженные через S21-параметр. Реальнаячасть- (а), мнимая часть – (б). Частота измерений – 100 МГц.Под воздействием постоянного тока смещения, устраняющего доменную структуру,недиагональный импеданс имеет антисимметричное поведение по отношению к внешнемуполю.

Наличие гистерезиса связано с остаточной доменной структурой.В этом разделе также обсуждаются вопросы использования недиагональногоимпеданса для разработки высокочувствительных сенсоров [49-51]. Именно этаконфигурация имеет ряд преимуществ и большой потенциал для развития.

Прежде всеговыходной недиагональный сигнал является антисимметричным относительно внешнегополя, то есть возможно определение величины и направления внешнего поля. Также,амплитуду выходного сигнала можно увеличить с помощью оптимального числа витков вдетектирующей катушке, или используя несколько МИ элементов, соединенныхпараллельно, в одной катушке [52]. Такой подход позволяет улучшить характеристикишума. Это связано с тем, что чувствительность МИ сенсора (и разрешение) ограниченышумовыми характеристиками электронной схемы, которые оказываются значительновыше, чем внутренние магнитные шумы МИ элемента.

Следовательно, разрешение МИсенсоров может быть улучшено с помощью увеличения чувствительности выходногонапряжения (конечно, до уровня, при котором шумы от различных источников становятсясравнимы).Заключительная шестая глава посвящена исследованию электромагнитногооткликаоткомпозитныхматериаловсферромагнитнымипроводами,которыеобнаруживают МИ эффект на ГГц частотах. Проволочные включения с различнымифизическими свойствами, а также формами и размерами, составляют важныйконструктивный элемент современных композитных материалов.

В электродинамикекомпозитовпроводящиепроволочныевключенияиндуцируютнеобычныеполяризационные свойства отклика в ответ на микроволновое излучение [53-55]. Так,решеткинепрерывныхпроводовпозволяютполучатьотрицательныезначениядействительной части эффективной диэлектрической проницаемости и используются какподсистемы для создания так называемых левосторонних материалов. В другом типепроволочных материалов используются короткие отрезки проводов для реализацииантенных резонансов.

При этом эффективная диэлектрическая проницаемость имеетрезонансный характер. В обоих случаях при использовании ферромагнитных проводовпоявляется возможность управления электромагнитными спектрами, а также созданияматериалов с сенсорными функциями [56-58].магнитного импеданса на ГГц частотах.Эти свойства определяются эффектомРешеткинепрерывныхпроводовсоответствуютплазмоннымсистемам.Электромагнитная волна распространяется перпендикулярно проводам, а электрическийвектор в волне 0 направлен вдоль проводов.

Ecли длина волны значительно больше, чемхарактерные структурные параметры: ≫ ≫ (- расстояние между проводами, радиус провода), то композиционный материал можно рассматривать как однороднуюсреду с усредненными материальными параметрами. Существует ряд моделей [14, 59] дляопределенияэффективнойпроницаемости .Всеонидемонстрируют,чтоэлектромагнитный отклик соответствует идеальной (без столкновений) плазмоннойсистеме с диэлектрической проницаемостью (по отношению к 0 ), имеющий вид: = −22(14)Здесь параметр соответствует плазмонной частоте. В различных моделях выражениедля несколько различаются, однако в логарифмическом приближении (ln(/) ≫ 1) этаразница не превышает 10%.

Обычно записывается в виде:2 =2 2 2 ln /(15)Если радиус провода =10 м, а расстояние между проводами =1 см, выражение (15) дает = /2 = 4.8 GHz. В ряде экспериментальных и модельных работ подтверждаетсяправомерностьиспользованияплазмонныхуравнений(14)-(15)дляописанияэлектромагнитного отклика от проволочной среды, из которых следует, что действительнаячасть имеет отрицательные значения в низкочастотной области < .Уравнение (14) справедливо для идеально проводящих проводов без потерь.Резистивные потери учитывались для случая однородного распределения тока внутрипроводов, то есть в приближении слабого скин-эффекта. Потери пропорциональны / ≫1, то есть могут быть велики и этот случай не представляет интереса для практическихприменений. Развиваемый нами подход, основанный на решении уравнений Максвелла вэлементарной ячейке внутри и вне провода и с импедансными граничными условиями наповерхности провода, позволяет получить корректное выражение для эффективнойпроницаемости, справедливое во всей области частот.

Диэлектрическая проницаемостьзаписывается в виде2= − 2 (1 + ) =(16)(17)Параметр релаксации пропорционален диагональной компоненте импеданса изависит от магнитных свойств проводов.Таким образом, мы имеем дело с новымэффектом- зависимостью диэлектрической проницаемости проволочных композитов отмагнитных параметров, в частности, от внешнего постоянного магнитного поля, или отвнешних напряжений, приводящих к изменению магнитной анизотропии. Анализпоказывает, что этот эффект существенен в области частот, меньших плазмонной частотыи при условии умеренно сильного скин-эффекта.

Магнитное поле в сколь угодно большойпланарной области может быть создано токовой шиной или планарной катушкой, гдепровода направлены перпендикулярно направлению вектора электрического поля влинейно-поляризованнойволне.экспериментальные спектры Нарисунке15представленытеоретическиеидля различных значений внешнего магнитного поля,которые демонстрируют значительное уменьшение абсолютной величины ′ внизкочастотной области.(а)(б)Рис.

15. Теоретические (а) и экспериментальные (б) спектры действительной части ( = /2) одномерных решеток магнитных проводов для различных значенийвнешнего осевого магнитного поля. Параметры расчета: b= 0.5 см, a =10 м, = 1016 −1 ,0 = 500 G, = 5 Oe - соответствуют эксперименту.Дисперсионные характеристики композитов с короткими отрезками магнитныхпроводов также могут значительно изменяться в окрестности частоты антенного резонансаза счет изменения магнитных потерь, что может быть вызвано действием постоянногомагнитного поля или механических напряжений (передаваемых через композитнуюматрицу). Нами было продемонстрировано,релаксационнымипроцессамиопределяетсячто и в этом случае управлениетензоромповерхностногоимпедансамагнитного провода.Локальное поле вблизи провода eloc индуцирует ток с линейной плотностью i(z ) ,который распределен вдоль провода и индуцирует электрическую поляризацию .

То естьэффективная диэлектрическая проницаемость таких композитов описывается в рамкахЛорентцевой модели.Для нахождения поляризации решается задача рассеяния наферромагнитном проводе с учетом импедансных граничных условий. Полученообобщенное антенное уравнение для распределения i(z ) [57], которое записывается черезсвертки тока с функциями Грина , : 2 ( ∗ ) + 2 ( ∗ ) +( ∗ ) =0 +ℎ02244(18)Интегрально-дифференциальное уравнение (18) включает общие потери, такие какрезистивные и радиационные, а также магнитные. Внутренние потери в этом уравнениивозникают через связь с поверхностным импедансом и через свертку (G  i) , тогда какмнимая часть (G  i) определяет радиационные потери. Кроме того, в (18) имеетсядополнительный член, зависящий от недиагональной компоненты поверхностногоимпеданса  z .В пределе малых концентраций магнитных проводов p , когда можно пренебречьвзаимодействиями между ними, эффективная проницаемость записывается в виде: = + 4 < >(19)Здесь < >- усредненная электрическая поляризуемость магнитных проводов (например,по ориентациям в пространстве).

За счет изменения магнитного импеданса, вызванного,например, внешним магнитным полем, может происходить значительное изменениедисперсии - от резонансной к релаксационной, как продемонстрировано на Рисунке 16.Рис. 16. Изменение спектров эффективной проницаемости композитов с отрезкамиМИ проводов на основе Со (с резонансного на релаксационный) под действием внешнегомагнитного поля > , - поле анизотропии.

Концентрация проводов p  0.01% ,проницаемость матрицы = 16. Длина провода равна 1 см. При увеличении концентрации(или уменьшения ), реальная часть эффективной проницаемости может приниматьотрицательные значения.Возможностьуправленияэффективнойдиэлектрическойпроницаемостьюкомпозитов с короткими отрезками МИ проводов была убедительно продемонстрирована спомощью измерения спектров рассеяния в присутствии магнитного поля и (или)растягивающих напряжений.В заключении приведены основные результаты, полученные в работе.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1. В проводах с круговой доменной структурой исследованыциркулярные процессынамагничивания и определены параметры магнитной проницаемости в широкомчастотном диапазоне.