Рассмотрим магнитоодноосный кристалл в виде пластинки с осью легкого намагничивания (ОЛН), перпендикулярной плоскости образца. В однодоменном состоянии намагниченная до насыщения пластинка имеет энергию W,. равную максимальной магнитостатической энергии
wm=μ0JS2V/2.
Если намагниченность лежит в плоскости пластинки, то wm=0 и энергия w=wk=kv,
где V — объем образца. Энергия образца будет значительно снижена, если он будет размагничен, т. е. объем его будет разбит, например, на слоистые домены.
Сравним два варианта доменной структуры: а) «замкнутая» структура и б) «открытая» структура. Оценим энергию каждого варианта структуры, предполагая, что ширина доменов мала по сравнению с толщиной пластинки h.
В замкнутой доменной структуре магнитный поток полностью замкнут, поле рассеяния отсутствует и, следовательно, Wмa=0. Полная энергия W складывается из энергии доменных границ Wr и энергии анизотропии wk° замыкающих доменов. Число границ, приходящихся на единицу площади поверхности пластинки, равно 1/D, их площадь приближенно равна h/D. Удельная энергия доменных границ
Wr/So=σrh/D. (1)
В замыкающих доменах Js лежит по трудной оси (направление перпендикулярное оси легкого намагничения), и здесь объемная плотность энергии анизотропии равна К. Замыкающие домены имеют форму треугольных призм сечением D2/4, которые расположены на обеих поверхностях пластинки. Следовательно,
(2)
Энергия замкнутой доменной структуры, отнесенная к единице площади поверхности пластинки, равна
(3)
Здесь σr- поверхностная плотность энергии границ, имеющая размерность Дж/м2. В большинстве ферромагнетиков σr порядка 10-3–10-2Дж/м2. Оптимальная (равновесная) ширина доменов D0 определяется из условия минимума энергии Wа(D), т.е. из условия dWa/dD=0;
(4)
Подставив D0a в (3), получим минимальное значение энергии для замкнутой структуры:
(5)
Используя (4), можно исключить σr и получить
(6)
В открытой доменной структуре намагниченность JS всюду лежит по ОЛН, т.е. энергия анизотропии WKб =0. Энергия системы складывается из магнитостатической энергии и энергии доменных границ. Для случая, когда D во много раз меньше толщины образца h, Киттель получил выражение
(7)
Во многодоменном образце необходимо учитывать энергию доменных границ, которая тем больше, чем больше объемная площадь границ Sr.
(8)
Воспользовавшись формулами (7) и (8), получим
(9)
Оптимальная ширина доменов D0б для открытой структуры, полученная из условия dWб/dD=0,
(10)
Энергия равновесной «открытой» структуры равна
(11)
или, в зависимости от равновесной ширины доменов D0б,
Из сравнения величины энергии для обоих типов доменной структуры (ср. формулы (5) и (11)) следует важный вывод о том, что в пластинках из материала с относительно высокой магнитной анизотропией {K>3,4·10-7JS2) многодоменное размагниченное состояние с «открытой» структурой энергетически предпочтительнее, чем «замкнутая» структура.
Если ферромагнитное тело находится в исходном многодоменном размагниченном состоянии, то при включении магнитного поля Н происходит намагничивание тела, т. е. появляется результирующий магнитный момент в направлении поля. Техническое намагничивание осуществляется с помощью двух основных процессов:
1) смещения доменных границ, вызывающего увеличение объема выгодно намагниченных доменов (в которых угол между Js и Н острый);
2) вращения вектора Js в каждом из доменов в сторону вектора поля Н.
В данной лабораторной работе производится визуальное наблюдение процессов квазистатического намагничивания монокристаллических образцов со сквозной микрополосовой доменной структурой. Начиная с некоторого критического значения напряженности (Нст) магнитного поля можно обнаружить значительную перестройку доменов, которая осуществляется путем необратимых смещений доменных границ. При этом видно, что площадь одних доменов (например, светлых) увеличивается за счет уменьшения площади других темных. По мере приближения к насыщению площадь невыгодно намагниченных доменов резко сокращается, остаются лишь отдельные узкие домены, которые исчезают в поле насыщения Hs, когда образец становится однородно намагниченным по полю. Процесс намагничивания завершен.
Рассмотрим процесс перемагничивания образца, первоначально находящегося в насыщенном состоянии. Когда поле, приложенное вдоль ОЛН, уменьшается, то при некотором значении Нзар в образце появляются магнитные домены с обратной намагниченностью (зародыши). Это поле Нзар называется полем зародышеобразования. Причиной появления зародышей служит сильное размагничивающее поле, направленное против намагниченности образца.
При дальнейшем уменьшении напряженности поля до нуля в результате роста числа и объема зародышей намагниченность образца уменьшается, но остается некоторая остаточная намагниченность Jr. Необратимое смещение границ происходит еще в положительных полях. При отрицательном поле -Нс площади темных и светлых доменов становятся одинаковыми (J=0). Коэрцитивная сила Нс очень близка к значению поля старта границ, Нст... Процесс перемагничивания завершается в отрицательном поле —Hs, когда исчезнут все невыгодно намагниченные домены.
Экспериментальная установка
Принципиальная схема экспериментальной установки для наблюдения
доменной структуры изображена на рис. 2а. Свет от лампы 1 с помощью
оптической системы 2 преобразуется в параллельный пучок, и после прохождения через поляризатор 3, исследуемый образец 4, объектив 6 и анализатор 7, попадает в окуляр микроскопа 8. Для создания внешнего магнитного поля используются катушки Гельмгольца 5, питание которых осуществляется по схеме (рис. 2б)
Проведение эксперимента.
Задание 1 Исследование доменной структуры ферромагнитной пленки
1. Собрать схему по рис. 2б.
2. Включить источник света. При этом в наблюдательном окуляре должна быть видна доменная структура образца. Если она недостаточно отчетлива, то необходимо сфокусировать изображение и, поворачивая образец, добиться контрастного изображения доменной структуры.
3. Размагнитить образец путем подачи в катушку переменного тока для получения равновесной доменной структуры. Установить в намагничивающей катушке достаточно большой ток .(I=0,4 А) и снизить его до нуля.
4. Зарисовать полученную доменную структуру и измерить равновесную ширину доменов Do, пользуясь шкалой окуляра.
D=CN,
С- цена деления шкалы окуляра, N- число делений
5. Включить источник питания постоянного тока. Плавно увеличивая ток в катушках Гельмгольца с помощью реостата, наблюдать изменение доменной структуры образца.
6. Определить ток, при котором доменная структура исчезает, и рассчитать напряженность магнитного поля по формуле:
Н= СI,
где С — постоянная катушки.
7. Уменьшая ток, зафиксировать поле Нзар, при котором возникают домены с противоположной намагниченностью. Уменьшить ток до нуля и наблюдать доменную структуру в остаточном состоянии.
8. Поменять полярность источника, увеличивая обратный ток, перевести образец снова в насыщенное состояние.
9. Повторить процесс перемагничивания и соответствующие измерения несколько раз. Рассчитать по измеренным значениям токов критические поля Hs, Нзар
Дополнительное задание
Наблюдение поведения микрокапельных агрегатов магнитной жидкости во внешнем магнитном поле
Магнитные жидкости - это высокоустойчивые коллоидные растворы твердых ферри- и ферромагнетиков в различных немагнитных средах (керосине, воде, толуоле, минеральных и кремнийорганических маслах). Магнитные жидкости обладают уникальным свойством сохранять однородность в течение многих лет и иметь в жидком состоянии высокие магнитную восприимчивость и намагниченность насыщения, что позволяет широко использовать их в технике и современных технологиях. Основным средством управления магнитными жидкостями является магнитное поле. При некоторых условиях в магнитной жидкости образуются спонтанно намагниченные микрокапельные агрегаты. Во внешнем магнитном поле микрокапельные агрегаты вытягиваются вдоль вектора напряженности магнитного поля и образуют цепочки. Микрокапельные агрегаты обладают высокой магнитной проницаемостью и низким значением коэффициента межфазного натяжения на границе с менее концентрированной магнитной жидкостью. Возможность управления деформацией микрокапельных агрегатов слабым внешним магнитным полем позволяет широко использовать такие жидкости (магнитная дефектоскопия, магнитография).
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25
