научная статья по теме СИЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ В СИСТЕМАХ ИЗ ВЫСОКОАНИЗОТРОПНЫХ МАГНЕТИКОВ Физика

Текст научной статьи на тему «СИЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ В СИСТЕМАХ ИЗ ВЫСОКОАНИЗОТРОПНЫХ МАГНЕТИКОВ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 3, с. 15-23

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

УДК 537.612

СИЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ В СИСТЕМАХ ИЗ ВЫСОКОАНИЗОТРОПНЫХ МАГНЕТИКОВ

© 2004 г. В. Н. Самофалов*, А. Г. Равлик*, Д. П. Белозоров**, Б. А. Авраменко*

*Националъный технический университет "Харьковский политехнический институт",

61002 Харьков, ул. Фрунзе, 21 **Националъный научный центр "Харьковский физико-технический институт", 61108 Харьков, ул. Академическая, 1

Поступила в редакцию 20.01.2003 г.; в окончательном варианте - 1.07.2003 г.

Рассчитаны и измерены магнитные поля рассеяния различных систем из постоянных магнитов с большой магнитной анизотропией. Показано, что напряженность этих полей превышает значение индукции материала магнитов в несколько раз. Такие системы являются источниками сильных высокоградиентных магнитных полей, у которых величина НУН может достигать значений 1010-1011 Э2/см. Сделаны оценки предельно достижимых полей и их градиентов.

ВВЕДЕНИЕ

Имеется ряд работ [1-9], в которых рассматриваются различные аспекты получения высоких магнитных полей в системах из постоянных магнитов и в электромагнитах. В работах последних лет сообщается, что на основе постоянных магнитов можно создать источники магнитных полей рассеяния, напряженность которых превышает значение индукции материала магнитов в

несколько раз (см., напр., [1]). Так, в закрытых системах из постоянных магнитов типа цилиндра или сферы Хальбаха [1] поля рассеяния достигают значений до 50 кЭ. До сих пор получение таких высоких полей осуществлялось при помощи сверхпроводящих магнитов или охлаждаемых соленоидов. Магнитные поля рассеяния Нр, напряженность которых превышает значение индукции материала магнитов (4пМ^), мы в дальнейшем будем называть сильными полями. Реализовать сильные магнитные поля стало возможным только после того, как были открыты магнитные материалы на основе редких земель, которые обладают гигантской магнитной анизотропией [10]. Несмотря на то, что от первых работ по сильным полям нас отделяет значительный временной интервал, вопрос об условиях возникновения таких полей в литературе освещен недостаточно полно.

1. Прежде всего, отсутствуют экспериментальные данные по измерению величины сильных полей (Нр > 4пМ!) рассеяния в различных точках магнитных систем, состоящих из постоянных магнитов. Это обусловлено тем, что поля рассеяния

обычно локализованы в узкой области и для экспериментального изучения конфигурации этих полей требуются датчики микронных размеров, позво-

ляющие, к тому же, регистрировать высокую напряженность магнитного поля.

2. В частности, пока не установлена связь между предельными значениями полей рассеяния Нь и такими характеристиками материала магнитов как коэрцитивная сила Нс, поле анизотропии Нк.

3. Для полноты картины по сильным полям, кроме Нь, не менее важно знать также величину градиента поля и его возможные предельные значения УНЬ. Следует также отметить, что сильные магнитные поля и высокие градиенты этих полей, которые возникают у края заряженных поверхностей различных магнитных систем, могут привести в этой области также и к большим механическим напряжениям.

4. Мы полагаем, что некоторые качественные особенности тонкой структуры доменных стенок одноосных магнитных материалов, наблюдаемые у поверхности ферромагнитного слоя, можно объяснить, используя понятие сильного поля, даже не проводя микромагнитных расчетов.

5. Заслуживает самостоятельного обсуждения вопрос о связи между сильным полем и значениями размагничивающего фактора тела. Известно, что сумма диагональных компонент тензора размагничивающего фактора однородно намагниченного тела Ихх + Иуу + = 4п и поэтому создается представление, согласно которому наибольшее значение размагничивающего фактора равняется 4п и, следовательно, максимально достижимая величина поля рассеяния составляет Нр = 4кИ5. Возможные значения недиагональных компонент тензора размагничивающего фактора обычно не обсуждаются.

г

о

м„

ние полного поля рассеяния Нр = (Их + Нг )1/2 в небольшой окрестности точки О. Выражение для горизонтальной компоненты поля рассеяния Нх(х, г) над доменами имеет вид

Нх (х, г) = 8 И, £ (Хп +1)пх'

1

X

^ Х п + 1

п = 0

I (Хп + 1)пг|

(1)

X 008

ехр

Рис. 1. Модель открытой доменной структуры Китте-ля. Ось ОУ перпендикулярна плоскости ХОХ. Ось легкого намагничения (ОЛН) параллельна оси ОХ.

Сильные поля следует рассматривать как инструмент воздействия на различные физические объекты и спектр подобных объектов может быть очень широким.

В работе рассмотрены перечисленные выше вопросы. Изучены особенности полей рассеяния простейших систем из высокоанизотропных постоянных магнитов, проведены расчеты этих систем при физически обоснованных допущениях, получены аналитические выражения для напряженности и градиентов этих полей в окрестности особых точек. Обсуждаются некоторые возможности практического использования сильных и высокоградиентных полей. Предварительные результаты наших исследований были доложены на конференции [11].

СИСТЕМА КИТТЕЛЯ

Вначале рассмотрим одну из хорошо известных магнитостатических задач, решение которой указывает на возможность существования сильных магнитных полей. Эта задача связана с расчетом модели открытой доменной структуры (рис. 1), которая была предложена Киттелем [12]. Для нахождения потенциала поля, создаваемого периодической системой магнитных доменов Киттеля, в [13] был использован так называемый "метод зарядов". При расчетах предполагалось, что поле одноосной анизотропии материала ферромагнитной пластины является бесконечно большим. Воспользовавшись выражением для потенциала поля этой доменной структуры, найдем напряженность полей рассеяния над доменами.

Вычислив градиент потенциала, можно определить зависимость для компонент напряженности поля рассеяния Нх(х, г), Нг(х, г), Ну(х, г). Компонента поля рассеяния в силу геометрии Ну(х, г) = 0, а вертикальная компонента Нг(х, г) относительно небольшая, меньше половины индукции материала ферромагнитной пластины и мало влияет на значе-

где И, - намагниченность насыщения материала ферромагнитной пластины; а - ширина полосовых доменов. Следует отметить, что поле Нх(х, г) в формуле (1) определяется только верхней системой зарядов над доменами. Нижняя плоскость пластины считается удаленной в бесконечность. В точках на поверхности пластины (г = 0) горизонтальная компонента поля описывается выражением

Нх (х) = 8 И, £

1

5'-2п+1

п=0

008

(Хп + 1 )п х'

(2)

= 4И, 1п

1 —

V а

Так, из формулы (2) следует, что компонента поля Нх в точках х = ка, где к = 0, ±1, ±2, ..., стремится к бесконечности, а в окрестности указанных точек для интервала шириной Ах ~ а/10 принимает значения выше индукции материала одноосного ферромагнетика, т.е. Нх > 4пИ, . Зависимость Нх(х, г) при г —*- 0 и аналогичная зависимость Нх(х, г) при х —► 0 являются логарифмическими. Особенности компоненты поля рассеяния Нх(х, г) в окрестности точки О для области -0.1 < Ах/а < 0.1; -0.1 < < Аг/а < 0.1 отражает рис. 2а. Дополняет эту зависимость график на рис. 26, где приведены значения компоненты Нх(х, у) на плоскости ХОУ (г = 0) в области -0.1 < Ах/а < 0.1; 0 < Ау/а < 0.2. Отметим, что эти графики рассчитаны для значений И, = = 1000 Гс. Следует также отметить, что аналогичные формулы для полей в открытой доменной структуре рассеяния получены в работах [14, 15].

В силу непрерывности тангенциальной компоненты поля рассеяния Нх(х, у) такие же по величине размагничивающие поля будут простираться и вглубь доменов, если поле одноосной анизотропии материала ферромагнетика очень большое (Нк > 4пИ,). Это связано с тем, что компонента поля рассеяния Нх(х, у) направлена перпендикулярно ОЛН и вызывает только отклонение намагниченности от ОЛН. При больших значениях Нк угол отклонения И, мал и это означает, что магнитная проницаемость ц = 1. Не проводя микромагнитных расчетов, можно считать, что в одноосных ферромагнетиках с малыми значениями

а

(б)

Hx(x,y), Э

-0.1

Рис. 2. Рассчитанные зависимости горизонтальной компоненты поля рассеяния Hx(x, z) и Hx(x, y) структуры Киттеля:

а - зависимость Hx(x, z) вычислена для точек, принадлежащих области -0.1 < x/a < 0.1; -0.1 < zja < 0.1; б -зависимость Hx(x, y) вычислена для точек, находящихся на плоскости XOY (z = 0) и принадлежащих области -0.1 < x/a < 0.1; 0 < y/a < 0.2.

поля анизотропии Нк < 4кМ5 открытая доменная структура типа структуры Киттеля не может существовать из-за возникновения замыкающих доменов под действием компоненты поля Нх. В одноосных же материалах с большими, но конечными значениями Нк ~ 4пМ5 подобное поле может вызвать отклонение намагниченности от оси легкого намагничивания и будет способствовать замыканию магнитного потока в приповерхностном слое, т.е. в области выхода доменных стенок на поверхность распределение намагниченности будет неоднородным [16]. В итоге все это приведет к локальному снижению плотности зарядов на поверхности пластины, а следовательно, и напряженности полей рассеяния. Например, наблюдае-

мая в тонких монокристаллических пластинах и пленках Со, у которых ОЛН направлена по нормали к слою, полосовая доменная структура не с прямыми границами, а с зигзагообразными [16], по-видимому, свидетельствует о частичном замыкании магнитного потока между доменами в приповерхностном слое, т.е. является результатом релаксации сильных магнитных полей. Другие особенности тонкой структуры границ полосовых доменов, проявляющиеся при увеличении толщины пленок (разветвления, появление петель и др.), можно также объяснить как результат влияния сильного поля.

Итак, при изучении особенностей доменной структуры, возникающей в приповерхностном слое одноосных ферромагнетиков, следует принимать во внимание влияние сильных магнитных полей, которые могут возникать на границе между доменами в местах их выхода на поверхность пластин.

СИЛЬНЫЕ ПОЛЯ В СИСТЕМЕ ИЗ ДВУХ МАГНИТОВ

Основываясь на анализе полей рассеяния открытой структуры Киттеля (см. рис. 1), мы предположили, что в системе, состоящей из пары постоянных

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком