книги / Справочное пособие по магнитным явлениям
..pdfПротиво- |
Одинаковые |
наложные |
|
направления |
направления |
намагничен |
намагниченности |
ности |
сердцевины |
сервцевинк* 1 |
и одолочки |
и одолочкк |
Совращение в |
|
|
' |
намагниченности |
|
сердцевины |
Рис. 19.16. Эффект Виганда. Петля гистерезиса скрученной проволоки, у которой сердцевина и наружный слой имеют разные коэрцитивные силы, содержит разрывы, если большая коэрцитивная сила наружного слоя вызывает внезапное обращение на правления намагниченности сердцеви ны проволоки
чительно большим скачком потока. Из-за наличия спиральной структуры, полученной при помощи вышеописанной холодной обработки проволоки, между концами такой проволоки при каж дом изменении полярности поля генерируется электрическое на пряжение. Проволоку Виганда можно также возбуждать в об ласти значений намагничивающей силы, охватывающей весь диапазон изменения гистерезисных петель как внешней оболочки, так и сердечника. Происходящие при этом процессы иллюстри руются на рис. 19.17, где изображена соответствующая основ ная петля гистерезиса.
Обращение
намагниченности,
сердцевины
|
Обращение |
|
\намагничен |
|
ности |
|
оболочки |
Обращение |
^К>Обращениен |
намагничен |
намагничен |
ности |
ности |
обалочт |
сердцевины |
|
Критическая |
|
намагничивающая |
|
\*ь-сила |
Рис. 19.17. Петля гистерезиса Виганда. Элемент Виганда состоит из скручен ной проволоки, у которой сердцевина и наружный слой имеют разные коэр цитивные силы. Петля гистерезиса такого элемента испытывает разрывы, когда большая коэрцитивная сила наружного слоя вызывает изменение направления намагниченности сердце вины на противоположное
В любом случае скачкообразное изменение магнитного пото ка в проволоке в результате эффекта Виганда можно использо вать для получения электрического импульса в катушке, окру жающей эту проволоку. На самом деле изменение потока проис ходит настолько быстро, что результирующий импульс имеет уникальные характеристики — их не удается получить какимлибо иным методом. На рис. 19.18 иллюстрируется устройство Виганда, в котором электрический импульс генерируется при каждом прохождении вблизи него постоянного магнита, созда ющего магнитное поле с соответствующей напряженностью,
ззо
Рис. 19,18. Устройство Виганда. Резкое изменение намагниченности сердцевины проволоки, соответствующее разрыву петли гистерезиса, может создавать импульс характерной формы в катушке, намотанной вокруг проволоки
19.17. ЗАПИСЬ НА МАГНИТНУЮ ЛЕНТУ
Магнитная лента состоит из подложки и нанесенной на нее тонкой пленки из ферромагнитного вещества. Эта пленка содер жит большое число магнетонов, распределенных равномерно с некоторой плотностью. Поскольку вещество обладает ферромаг нитными свойствами, а направления осей магнетонов опреде ляются обменными силами, эти направления сохраняют устой чивость. Тем не менее ими можно управлять при помощи доста точно сильного магнитного поля. Если в результате действия приложенного извне поля установилась некоторая ориентация магнетонов, то она поддерживается постоянной за счет обмен ных сил. Когда направления магнетонов в пленке распределены случайно или же, напротив, одинаковы у всех магнетонов, их структура не несет никакой полезной информации. Если же маг нетоны организованы таким образом, что ряды магнетонов с од ним (скажем, положительным) направлением магнитного момен та накладываются на «фон», состоящий из рядов магнетонов с противоположным (отрицательным) направлением, то при по мощи такой линейчатой структуры можно записывать полезную информацию.
В устройстве, показанном на рис. 19.19, подаваемое на за писывающую головку напряжение быстро изменяется, образуя последовательность положительных и отрицательных импульсов, в то время как под головкой движется магнитная лента. После довательность импульсов возбуждающего напряжения преобра зуется в соответственно изменяющееся магнитное поле, прохо дящее через зазор записывающей головки, и это поле обеспе чивает создание на ленте требуемой линейчатой структуры рас пределения ориентаций магнетонов. Если изображенная на ри сунке головка рассматривается не как записывающая, а как
Рис. 19.19. Запись на магнитную ленту. Магнетоны могут быть ориентированы по крайней мере в одном из двух противоположных направлений. Те магнетоны, которые организованы в регулярные структуры, могут быть использованы для
представления определенной информации:
| — магнетон
считывающая, то на ее выходе должен генерироваться импульс электрического напряжения всякий раз, когда направление маг нетонов линейчатой структуры меняется от положительного к отрицательному или наоборот. Последовательность этих импуль сов несет информацию, считанную с магнитной ленты.
20. РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Структуры с очень малыми размерами обладают электри ческими и магнитными характеристиками, значительно отлича ющимися от характеристик более крупных структур из того же самого вещества. Это объясняется не только тем, что при умень шении размеров тела возрастает отношение площади его поверх ности к массе, но и тем, что очень малые частицы не располагают достаточным количеством полной энергии, чтобы поддерживать существование стенок доменов.
20.1. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Как магнетоны, так и носители заряда, содержащиеся в ве ществе, испытывают влияние электрических и магнитных харак теристик среды, зависящих от внешних условий двух типов. Условия одного типа определяются общим объемом вещества, условия другого типа — его «оболочкой», т. е. слоем, примыка ющим к поверхности.
Общий объем вещества представляется как сплошная среда, или некий «континуум», заполняющий трехмерное пространство. Каждая молекулярная частица воспринимает внешние условия, создаваемые соседними с ней частицами. Хотя соседние молеку лы вполне могут различаться между собой, смесь таких молекул в каждом элементарном объеме обладает более или менее по стоянными свойствами. В случае кристаллического вещества этот континуум является регулярной структурой, в которой каждая химическая связь поддерживается за счет определенного взаимо действия между соседними частицами, а для каждой молекулы характерно заданное положение, обусловленное природой хими ческих связей.
У поверхности тела условия внешней среды для каждой мо лекулы определяются либо отсутствием соседних молекул, либо присутствием с одной стороны от данной молекулы таких моле кул, которые существенно отличаются от молекул, расположен ных с других сторон от нее. У поверхности создаются принци пиально иные условия по сравнению с континуумом внутри объе ма вещества: здесь химические связи либо остаются свободными (и поэтому доступными для процессов адсорбции), либо участву ют во взаимодействиях, существенно отличающихся от взаимо действий внутри континуума. Учитывая молекулярную структу ру вещества, все расстояния на молекулярном уровне выражают числом межмолекулярных промежутков. Поверхностные свойства вещества проявляются в тонком поверхностном слое, глубина ко торого составляет несколько межмолекулярных промежутков.
Как явления в объеме вещества, так и поверхностные явле ния вносят вклад в процессы, определяющие электрические и магнитные характеристики тела. Если размеры тела очень вели ки по сравнению с межмолекулярными промежутками, то преоб ладают объемные свойства, а поверхностные явления могут даже вообще не обнаруживаться, и, наоборот, если тело имеет очень малые размеры, то поверхностные явления становятся значитель ными и могут даже играть доминирующую роль.
20.2. ПРОДОЛЬНАЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНОСТЬ ТОНКОЙ ПРОВОЛОКИ
Тонкая проволока, на которую воздействует внешнее магнит ное поле, направленное вдоль ее оси, изменяет свое электри ческое сопротивление в зависимости от напряженности поля. В этом состоит явление продольной магниторезистивности тонкой проволоки, связанное с движением электронов проводимости по спиральным траекториям под влиянием осевого магнитного поля.
Электрон, движущийся с постоянной скоростью в равномер ном магнитном поле, описывает круговую траекторию с радиу сом, обратно пропорциональным напряженности поля и пропор циональным скорости движения электрона. Этот радиус называ ется магнетронным радиусом (см. рис. 2.3).
ззз
Магнетронная траектория может накладываться на любую другую траекторию. Как показано на рис. 2.4, действительные траектории электронов проводимости имеют форму пространст венной спирали, или винтовой линии, ось которой совпадает с направлением силовых линий поля, если имеются составляющие скорости движения электронов, как параллельные направлению внешнего поля, так и перпендикулярные ему. Результирующее движение носителей, создающее электрический ток, направлено вдоль оси проводника, тогда как механизмы рассеяния (порож дающие случайные траектории частиц) могут вызвать результи рующее тангенциальное движение.
Электрическое сопротивление тонкой проволоки слагается из двух составляющих. Одна из них является результатом взаимо действия электронов проводимости с ионами кристаллической решетки в общем объеме вещества, другая — результатом взаи модействия электронов проводимости с поверхностями тела. Если магнитное поле направлено вдоль оси проволоки с очень малым
Ток-
Из
л Ш Ш П Ш Н Ш )
Электроны движутся по тугой спирали Ток---------
Электроны не пересекают поверхность Ток_____ ►
Электроны достигают поверхности
Рис. 20.1. Спиральные траектории носителей в тонкой проволоке. Электроныносители, движущиеся в проволоке с осевой намагниченностью, стремятся описывать спиральные траектории. Если диаметр такой спирали оказывается больше, чем диаметр проволоки, то спиральная траектория прерывается при пересечении ею поверхности проволоки
Рис. 20.2. Продольная магниторезистивность. Как показано на рис. 20.1, носители в проводящей проволоке под влиянием осевого магнитного поля движутся по спиральным траекториям. Если спираль имеет больший диаметр, чем проволока, то сопротивление проволоки увеличивается, так как носители начинают взаимо действовать с поверхностью проволоки. Кроме того, сопротивление увеличивается, когда траектория имеет форму очень плотной спирали, так как при этом увеличивается средний свободный пробег носителей. Проводящая проволока имеет минимальное сопротивление при условии, что диаметр спирали лишь ненамного меньше, чем диаметр проволоки:
1 — движение электронов без пересечения с поверхностью; 2 — движение электронов
по тугрй спирали
диаметром, то электроны проводимости, движущиеся по спираль ным траекториям с относительно большим диаметром, которые обусловлены полем с малой напряженностью, вытесняются к периферии проволоки. Здесь они испытывают в максимальной степени влияние поверхности и влияние общего объема провод ника. При этих условиях электрическое сопротивление вещества по отношению к носителям существенно зависит от рассеяния, вызванного взаимодействием носителей с поверхностным слоем проводника.
Если напряженность осевого магнитного поля увеличивается, то диаметр спиральных траекторий носителей уменьшается, и но сители оттягиваются от поверхности проволоки во внутреннюю область, где сопротивление в первую очередь определяется об щими объемными свойствами вещества. Теперь магниторезистив ное сопротивление тонкой проволоки будет уменьшаться при воз растании напряженности поля до тех пор, пока большинство носителей не выйдет из-под влияния поверхности проволоки. При дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля сжатие спиральной траектории приводит к удлинению пути движения носителей, вследствие чего повышается интенсивность их взаимо действия с общим объемом вещества. В итоге магниторезистив ное сопротивление после достижения некоторого минимального значения вновь начинает увеличиваться.
На рис. 20.1 и 20.2 иллюстрируются условия «взаимодей ствия с поверхностью», «отрыва от поверхности» и «сжатия спи рали», возникающие под влиянием внешнего магнитного поля с разными напряженностями.
Эффект Уайдера заключается в том, что изменения теплопро водности тонкой проволоки в магнитном поле подчиняются та ким же общим закономерностям, как и изменения электропро водности.
20.3. ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ
Два ферромагнитных явления связаны с влиянием размеров частиц. Одно из них заключается в исчезновении стенок доме нов при размерах частицы, меньших некоторого критического значения, когда частица превращается в один домен, другое — в исчезновении обменных сил при втором, меньшем критическом значении размеров, когда вещество становится парамагнитным.
Если огромное число малых частиц объединено в единое целое при таких условиях, что свойства каждой частицы не ока зывают существенного влияния на остальные частицы, то об щие объемные свойства вещества довольно точно отражают свойства отдельных частиц. Кристаллы с размерами меньше критических не могут обеспечить сохранения стенок доменов,
силы которых противодействуют обменным силам, упорядочиваю щим ориентации магнетонов. Каждый такой кристалл при от сутствии внешних полей представляет собой один домен. Все его магнетоны ориентированы в одном и том же направлении, совпадающем с направлением одной из осей кристалла. При этих условиях может быть достигнута устойчивая ориентация магне тонов в направлении любой оси кристалла, но не в промежу точных между осями направлениях.
Внешнее магнитное поле с соответствующей абсолютной ве личиной и направлением вектора напряженности можно исполь зовать для изменения ориентаций магнетонов, упорядоченных в направлении одной из осей кристалла, и, преодолевая силы кристаллографической анизотропии, упорядочить их в направле нии другой оси кристалла. Следует отметить также, что прило жение внешнего поля, которому противодействуют силы анизо тропии вблизи осей кристалла, не связано с явлением гистерези са; иными словами, если ось домена повернулась на некоторый угол под влиянием приложенного поля, то после снятия поля она автоматически возвратится к направлению ближайшей оси кри сталла.
Если уменьшать размеры однодоменного кристалла, то по достижении вторых критических размеров он уже не сможет сохранить обменные силы, упорядочивающие ориентации магне тонов вопреки тепловым силам, которые стремятся нарушить по рядок. Эти критические размеры зависят от отношения объема кристалла к температуре. Поскольку температура отражает яв* ления, имеющие случайный характер, частицы вблизи крити ческих размеров обладают неустойчивыми магнитными свойства ми, они переходят от доменной к бездоменной структуре и об ратно. Бездоменное состояние ферромагнитного вещества при размерах частиц меньше критических называют супермагне тизмом.
Изменение магнитных свойств при критических размерах, соответствующих переходу к однодоменной структуре и переходу к супермагнетизму, в некотором отношении сходно с преобразо ванием Кюри. Однако в принципе это совершенно различные явления.
20.4. СУПЕРМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ
При помощи тел, состоящих из супермагнитных частиц, мож но сконструировать термометр, основанный на изменении магнит ной восприимчивости и имеющий передаточную характеристику, аналогичную показанной на рис. 5.2. Однако в данном случае при использовании супермагнитного эффекта передаточная харак теристика зависит от распределения размеров частиц, а не от преобразования Кюри.
20.5. ВРАЩЕНИЕ ДОМЕНОВ
Очень тонкие ферромагнитные кристаллические пленки со стоят из частиц, которые слишком малы, чтобы поддерживать энергию стенок доменов, а магнетоны не располагают доста точным пространством, чтобы ориентироваться по нормали к по верхности пленки. При этих условиях магнетоны, все еще под вергаясь действию обменных сил, ориентируются в одном и том же направлении, параллельном поверхности пленки. Конкретное направление, принимаемое магнетонами, совпадает с одним на правлением из некоторого конечного числа направлений, опреде ляемых кристаллографической анизотропией.
Если эти магнетоны оказываются в магнитном поле, направ ленном параллельно поверхности пленки, то они поворачиваются под влиянием поля и ориентируются вдоль кристаллографической оси, наиболее близкой по направлению к приложенному полю (рис. 20.3). В дальнейшем даже после устранения внешнего поля магнетоны сохраняют свою новую ориентацию, поддерживаемую силами кристаллографической анизотропии. Механизм действия этих сил аналогичен работе механического фиксатора. На рис. 20.3 показаны две частицы с «зафиксированными» направле ниями магнетонов после устранения внешнего поля, упорядочи вающего их ориентации.
Рис. 20.3. Вращение доменов. На очень малых участках тонкой пленки могут образоваться отдельные ферромагнит ные домены, у каждого из которых магнетоны имеют устойчивую ориента цию в направлении какой-либо оси кристалла. Импульс внешнего магнит ного поля может повернуть оси доме нов так, что они оказываются направ ленными вдоль оси кристалла, наибо лее близкой по направлению к при ложенному полю. Эта новая структура распределения ориентаций доменов сохраняет устойчивость и при отсутст вии какого-либо внешнего поля
Поскольку поворот магнетонов от одной оси кристалла к другой может быть осуществлен быстрее, чем перемещение сте нок доменов, это явление вращения доменов применяют при кон струировании запоминающих устройств вычислительных машин, когда главная цель состоит в получении максимального быстро действия.
20.6. ЭФФЕКТ ЗОНДХАЙМЕРА
Эффект Зон дхай м ер а наблюдается в некоторых тонких плен ках при воздействии на них внешнего'магнитного поля, направ ленного по нормали к поверхности плёнки. При увеличении на-
337
фяженностн поля магниторезистивное сопротивление такой пленки изменяется попеременно в положительную или отрица тельную сторону в зависимости от напряженности поля. Области напряженности поля, где эти изменения максимальны, соответ ствуют наиболее слабым полям, а в случае сильных полей из менения вообще отсутствуют.
Все гальваномагнитные эффекты чувствительны к изменениям магниторезистивности, обусловленным эффектом Зондхаймера.
20.7. ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ
В системе, которая показана на рис. 9.11, проволока с малым диаметром, несущая электрический ток, подвергается одновре менному воздействию осевого магнитного поля и электромагнит ного излучения, распространяющегося в поперечном направле нии. Если магнетронный диаметр носителя совпадает с диамет ром проволоки, а частота излучения совпадает с циклотронной частотой носителя, то сопротивление проволоки имеет минималь ное значение. Такую минимизацию сопротивления в зависимости от частоты назовем изотермическим электромагнитно-магниторе-
зистивным эффектом.
Для того чтобы проявлялся указанный эффект, нужно под держивать постоянную температуру проволоки. Если это условие не выполнено, то поглощение электромагнитной энергии проволо кой вызывает увеличение сопротивления, маскирующее рассмат риваемый эффект.
В основе этого эффекта лежит передача дополнительной электромагнитной энергии носителям, движущимся по магнетрон ным орбитам. Дополнительная энергия обеспечивает уменьшение количества энергии, связанной с перемещением этих же носите лей по их магнетронно-осевым траекториям под действием элект рического напряжения.
21. ЯВЛЕНИЯ В СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
Электроны при своем движении в магнитном поле стремятся огибать силовые линии поля по круговой траектории. При усло виях, рассмотренных в § 2.8 и проиллюстрированных на рис. 2.4, такие круговые траектории растягиваются в спирали, характери зующиеся определенными значениями радиуса, шага и круговой частоты. В данном случае радиус спирали равен магнетронному радиусу, а частота — циклотронной частоте (эти характеристики рассмотрены в § 23.1 и 23.2 соответственно).
Если магнитное поле имеет относительно небольшую напря женность, то у спиральных траекторий будут довольно большие диаметры, довольно длинные круговые пути движения частиц и
довольно низкие циклотронные частоты. В случае же сильного магнитного поля шаг спиралей и циклотронные длины волны до статочно малы, чтобы траектории могли взаимодействовать с лю быми периодическими характеристиками среды, имеющей подоб ные размеры.
Электроны, движущиеся в твердом веществе, имеют характер ную среднюю длину свободного пробега между столкновениями с узлами кристаллической решетки. После каждого столкновения электрон приобретает новое направление и новую скорость дви жения. При наличии внешнего магнитного поля механизм столк новений и механизм образования спиральных траекторий взаимо действуют между собой. Если средний свободный пробег состав ляет небольшую часть длины круговой траектории, то периодич ность кругового движения электрона играет незначительную роль и процессы, связанные с магнетронной траекторией, проявляют ся в виде гальваномагнитных эффектов. Если же внешнее маг нитное поле является достаточно сильным, то магнетронные кру говые траектории коротки и электрон успевает между столкнове ниями совершить значительную часть полного оборота на своей траектории (для металлов магнетронный радиус электрона в магнитном поле с магнитной индукцией 1 Тл имеет порядок 10-3 см). При таких условиях периодичность движения электрона по его траектории может взаимодействовать с другими периоди ческими функциями, характерными для твердого вещества как среды, в которой движется электрон. Эти функции по своей при роде могут быть временными или пространственными.
Поскольку сильные магнитные поля создают благоприятные условия для периодических взаимодействий, происходящие в ре зультате этих взаимодействий явления названы здесь «явления ми в сильных магнитных полях».
21.1. РЕЗОНАНС АЗБЕЛЯ — КАНЕРА
Скин-эффект, описанный в § 12.8, состоит в том, что элект роны, несущие высокочастотный переменный ток, движутся очень близко к поверхности проводника в слое вещества, толщина которого характеризуется глубиной проникания, определяемой по формуле (12.3). Если создать внешнее магнитное поле, направ ленное параллельно поверхности этого проводника, то оно за ставит электроны двигаться по спиральной траектории, показан ной на рис. 21.1, с магнетронным радиусом, определяемым урав нением (23.1). Ввиду того что диаметр магнетронной орбиты может превышать указанную толщину поверхностного слоя, электроны проводимости вносят вклад в электрический ток толь ко на некоторой части орбиты. Здесь существует как временная, так и пространственная периодичность, когда орбита проходит в пределах поверхностного слоя.