Диссертация (1098006), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Геликоидальная анизотропия в проводе создаетсяотжигом под действием скручивающих напряжений. Частота измерений- 1 МГц.При более высоких частотах значительная асимметрия требует больших значенийподмагничивающего поля [90].С другой стороны, АМИ возникает в присутствиидополнительного переменного магнитного поля вдоль оси провода, тогда как по проводутечет высокочастотный ток.
При этом геликоидальная анизотропия не требуется [97,98].Продольное магнитное поле создавалось катушкой, соединённой последовательно спроводом, то есть через катушку и провод протекает один и тот же ток. Степеньасимметрии можно регулировать, изменяя отношение продольного переменного поля кциркулярному полю тока, при помощи изменения числа витков в возбуждающейкатушке.В этом случае механизм асимметрии обусловлен тем, что напряжение на35проводе определяется как диагональной, так и недиагональной компонентамиповерхностного импеданса. Таким образом, количественное описание АМИ должнобыть основано на представлении о тензоре поверхностного импеданса с учетом тензорамагнитной проницаемости для определенной магнитной структуры. Такой подход былпредложен в наших работах, а также в [99]. Следует отметить, что с практическойточки зрения второй механизм является предпочтительней, так как не требуютсяэнергетические затраты на постоянный ток.Еще один тип АМИ был обнаружен в аморфных лентахCoFeNiBSiподверженных отжигу в продольном магнитном поле [100-101].
В этом случае былпредложен механизм, основанный на обменном взаимодействии между кристаллическойи аморфной фазами [102]. Однако экспериментальные результаты не были объясненыдаже качественно.кристаллизациейиВ данном случае асимметрия МИ связана с частичноймагнитостатическимвзаимодействиеммеждуаморфнойикристаллической фазами. Такой тип АМИ наблюдался также в аморфных проволоках наоснове кобальта, отожжённых постоянным током [103]. Данные по кривымнамагничивания и структурный анализ свидетельствуют, что отжиг может приводить ккристаллизации поверхностного слоя. Сдвиг в кривой намагничивания можно объяснитьмагнитостатическим взаимодействием нанокристаллической и аморфной фаз.
То есть,АМИ в этом случае связан с несимметрией процессов намагничивания. На Рисунке 1.15a[104]представлены МИ характеристики в проводе, подверженном внешнимскручивающим напряжениям, которые создают геликоидальную анизотропию. Видно,что сама по себе геликоидальная анизотропия не приводит к АМИ. С другой стороны,при создании геликоидальной анизотропии в процессе отжига,наблюдается АМИ,причем степень асимметрии зависит от времени отжига. Также, для отожжённыхобразцов наблюдается значительная асимметрия по отношению к скручивающимнапряжениям, как показано на Рисунке1.15b.
Такое поведение обусловленовозникновением магнитожесткой кристаллической фазы на поверхности.Эта идея далее развивалась в работах [105-106], в которых использовалисьмногослойные провода, содержащие поверхностный магнитожесткий слой. В такихсистемах также реализуется магнитостатическая связь между внешним слоем имагнитомягкой областью. Если магнитожесткий слой намагничен до насыщения, апровод перемагничивается в полях, меньших коерцитивности поверхностного слоя, топроисходит сдвиг кривой намагничивания и некоторое изменение ее формы.Соответственно, наблюдается АМИ, аналогично случаю геликоидальной анизотропии в36присутствии постоянного тока. Выяснению механизмов АМИ посвящена значительнаячасть данной работы.Рисунок 1.15.
Эволюция МИ в микоропроводе под действием скручивающихнапряжений. Случай (а) соответствует неотожжённому проводу, к которому приложенывнешние напряжения [104]. Случай (b) соответствует отожжённым проводам (дляразличных времен отжига) под действием внешних скручивающих напряжений [32].371.4 Теоретические модели для описания МИ эффектаДля объяснения многообразиямагнитоимпедансныххарактеристик и дляразработки МИ элементов, демонстрирующих требуемые характеристики, необходимопостроение МИ моделей, учитывающих тип магнитной структуры, геометрию,частотный интервал и методы возбуждения. В областипромежуточных частот (от100кГц до 1-10МГц) и при относительно больших величинах возбуждающего токаосновной вклад в поведение импеданса обусловлен динамикой доменных границ[51,108-111]. В таких материалах, как аморфные провода и ленты, доменная структураможет быть достаточно сложной, однако на поведение импеданса в основном влияетповерхностный слой, где доменная структура упрощается.
Рассмотрение МИ придостаточно низких частотах может быть основано на минимизации свободной энергии сучётом различных доменных структур [112-113]. В этих моделях не учитываютсядинамические процессы, влияющие на магнитную проницаемость, что не позволялоописать частотную зависимость МИ. Однако эти модели были полезны для объяснениявлияния анизотропии на МИ.Усовершенствованиемагнитостатическихмоделейвозможнопутемучетадинамики доменных границ с затуханием.
Метод, учитывающий динамику доменныхграниц, может быть основан на расчёте магнитной проницаемости, обусловленнойколебаниямидоменныхграниц,гдепараметррелаксацииопределяетсясамосогласованным образом (например, в рамках теории эффективной среды),рассматривая генерацию вихревых токов за счет изменения намагниченности впроводящей среде. В рамках этого подхода может быть показано, что время релаксациидвижения доменных границ зависит только от диаметра проволоки и периода доменнойструктуры. Точное решение для распределения вихревых токов в проволоке спериодической «бамбуковой» доменной структурой в нулевом поле было найдено вработе[114] . Было показано, что с увеличением размера доменов возрастание импедансас частотой становится менее резким.Как было предсказано теоретически иподтверждено в эксперименте, движение доменных границ в магнитомягких материалахпрактически прекращается в области от нескольких сотен кГц до нескольких МГц.В области более высоких частот, когда движение доменных границ подавленопотерями на вихревые токи или реализовано состояние однодоменности,основной38вклад в магнитную проницаемость и МИ вносит только процесс вращениянамагниченности.
Интересно отметить, что при ГГц частотах и не слишком большихзначениях магнитного поля основные изменения импеданса обусловлены изменениямиориентациистатическойнамагниченности.Конечно,дляэтогодинамическаяпроницаемость должна существенно отличаться от единицы. В этом смысле,большинство наблюдаемых МИ эффектов не связаны с ферромагнитным резонансом.Между тем, в ряде работ развивались модели, в рамках которых значительныеизменения импеданса связывались исключительно с ферромагнитным резонансом [115117]. Это противоречит экспериментальным данным, которые демонстрируют, что приГГц частотах максимумы в зависимости импеданса от поля выполаживаются.
То естьзависимость импеданса от поля практически исчезает, если нет изменения положениястатической намагниченности [118-122]. В этой области и для слабых магнитных полейимпеданс зависит только от переориентации намагниченности под действием внешнихфакторов.Последовательный подход к моделированию поведения импеданса основан нарешении электродинамической задачи (уравнений Максвелла)для определеннойгеометрии и с определенными граничными условиями. Динамика намагниченности, какправило, рассматривается в рамках уравнения Ландау-Лифшица.
Аналитическиерешения были получены в приближении сильного скин-эффекта и линейностипараметров, зависящих от времени, а также в предположении о локальной связи междумагнитным полем и намагниченностью [123].Наиболее последовательно данный подход описывается в рамках тензораповерхностногоимпедансапропорциональностив̂,которыйвекторномопределяетсясоотношениикакмеждукоэффициенттангенциальнымисоставляющими электрического и магнитного полей на поверхности проводника:̅ = ̂(̅̅̅ × )Здесь ̅ и(1.6)̅̅̅ - касательные вектора электрического и магнитного полей наповерхности, соответственно, – единичный вектор нормали, направленный внутрьповерхности. В качестве внешнего возбуждения может рассматриваться переменныйэлектрический ток = 0 exp(−) совместно с внешним переменным магнитнымполем hex .39Напряжение на МИ элементе определяется внутренними потерями энергииiV c(e h) ds4 S(1.7)где интегрирование выполняется по поверхности проводника.Соотношение (1.7)демонстрируют, что индуцированные сигналы напряжения определяются черезтангенциальные компоненты электромагнитного поля et , ht на поверхности проводника.Если рассматривается квазистатический случай (размеры проводника меньше длиныволны), то распределение электромагнитного поля вне проводника соответствуетстатическому, тогда как внешнее возбуждение задает граничные условия, например, длямагнитного поля ht .
В случае однородного цилиндрического проводника, эти условияимеют вид (в цилиндрической системе координат):h a h 2 i ca ,hz a hex(1.8)здесь a радиус провода. Тогда электрическое поле на поверхности определяется черезтензор поверхностного импеданса ˆ (1.6).При этих условиях оказывается, что ˆполностью определяет наведенный внешним магнитным полем сигнал, а происхождениеполя h не имеет значения.Дальнейшие предположения связаны с микромагнитным анализом. Например,имеется однородная статическая намагниченность, направленная по спирали с углом ,касательно к поверхности. В этом случае тензор ̂ постоянен на поверхности и все егокомпоненты в цилиндрической системе координат отличны от нуля:( )Напряжение на проводе определяется какV ez l ( zzЗдесьl - длина провода.
То есть,2i z hex )lca(1.9)в общем случае зависит и от недиагональнойкомпоненты импеданса.Электродинамическая задача для определениятензора ̂ сильно упрощается вприближении сильного скин-эффекта, когда форма проводника не имеет значения, так40как электромагнитное поле и токи сконцентрированы вблизи поверхности, малыйучасток которой всегда может рассматриваться как плоский.В случае скалярной магнитной проницаемости недиагональные компонентыповерхностного импеданса обращаются в ноль, а продольная диагональная компонента zz определяется условием Леонтовича [124]: zz (1 i).8(1.10)Но при высоких частотах и хорошо определенной анизотропии, что и представляетинтерес для реализации значительных изменений импеданса, необходимо учитыватьтензорный характер магнитной проницаемости.
То есть, необходимо рассматриватьуравнения Максвелла (в системе единиц СГС, зависимость от времени берется в видеexp(−) ): =, =4(1.11)Здесь - вектор магнитной индукци, – проводимость и - скорость света. При малыхвозбуждениях и пренебрежении обменными эффектами, справедлива линейнаялокальная связь между векторами и : = ̂ ,(1.12)где ̂ - тензор магнитной проницаемости.Дальнейшие упрощения связанны сопределением тензора ̂ .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
