|
Реферат: Магнитные измерения (Физика)
Министерство образования Украины
Запорожский государственный технический университет
Кафедра ЕПА
Выполнил студент группы Э-219 Шило С.И.
Принял Андрияс И.А.
2000
Содержание
> Общие сведения о магнитных измерениях
. Определение задач магнитных измерений
. Магнитные величины и их основные характеристики
. Электродинамический логометр
> Принципы построения приборов и способы измерения магнитного потока,
магнитной индукции и напряженности магнитного поля
. Применение баллистического гальванометра
. Флюксметр
. Пермеаметры
. Исследование стали в переменном магнитном поле
. Осциллографирование кривой гистерезиса.
> Список использованной литературы
Введение
Задачи магнитных измерений. Область электроизмерительной техники, которая
занимается измерениями магнитных величин, обычно называют магнитными
измерениями. С помощью методов и аппаратуры магнитных измерений решаются в
настоящее время самые разнообразные задачи. В качестве основных из них
можно назвать следующие:
. измерение магнитных величин (магнитной индукции, магнитного потока,
магнитного момента и т. д.);
. определение характеристик магнитных материалов;
. исследование электромагнитных механизмов;
. измерение магнитного поля Земли и других планет;
. изучение физико-химических свойств материалов (магнитный анализ);
. исследование магнитных свойств атома и атомного ядра; определение
дефектов в материалах и изделиях (магнитная дефектоскопия) и т. д.
Несмотря на разнообразие задач, решаемых с помощью магнитных измерений,
определяются обычно всего несколько основных магнитных величин: магнитный
поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля H,
намагниченность М, магнитный момент т и др. Причем во многих способах
измерения магнитных величин фактически измеряется не магнитная, а
электрическая величина, в которую магнитная величина преобразуется в
процессе измерения. Интересующая нас магнитная величина определяется
расчетным путем на основании известных зависимостей между магнитными и
электрическими величинами. Теоретической основой подобных методов является
второе уравнение Максвелла, связывающее магнитное поле с полем
электрическим; эти поля являются двумя проявлениями особого вида материи,
именуемого электромагнитным полем.
Используются в магнитных измерениях и другие (не только электрические)
проявления магнитного поля, например механические, оптические.
Настоящая глава знакомит читателя лишь с некоторыми способами определения
основных магнитных величин и характеристик магнитных материалов.
Меры магнитных величин. Единицы магнитных величин воспроизводятся с
помощью соответствующих эталонов. У нас в стране имеется первичный эталон
магнитной индукции и первичный эталон магнитного потока. Для передачи
размера единиц магнитных величин от первичных эталонов рабочим средствам
измерений используют рабочие эталоны, образцовые и рабочие меры магнитных
величин и образцовые средства измерений. Примером передачи размера единиц
может служить градуировка или поверка приборов для измерения магнитных
величин, которая проводится с помощью мер магнитных величин и образцовых
средств измерений.
В качестве меры магнитной индукции (напряженности магнитного поля) могут
быть использованы катушки специальной конструкции (например, кольца
Гельмгольца, соленоид), по обмоткам которых протекает постоянный ток,
постоянные магниты.
В качестве меры магнитного потока обычно используют взаимоиндуктивную
меру магнитного потока, состоящую из двух гальванически не связанных между
собой обмоток и воспроизводящую магнитный поток, сцепляющийся с одной из
обмоток, когда по другой обмотке протекает электрический ток.
Принципы построения приборов и способы измерения магнитного потока,
магнитной индукции и напряженности магнитного поля
Принципы построения приборов для измерения магнитных величин. В настоящее
время известно много разнообразных приборов и способов для измерения
магнитной индукции, магнитного потока и напряженности магнитного поля. Как
правило, прибор для измерения магнитных величин состоит из двух частей —
измерительного преобразователя, назначением которого является
преобразование магнитной величины в величину иного вида (электрическую,
механическую), более удобную для дальнейших операций, и измерительного
устройства для измерения выходной величины измерительного преобразователя.
Измерительные преобразователи, входной величиной которых является
магнитная величина, называют магнитоизмерительными и в соответствии с видом
выходной величины делят на три основные группы: магнитоэлектрические
преобразователи (выходная величина электрическая), магнитомеханические
(выходная величина механическая) и магнитооптические (выходная величина
оптическая).
В каждой из этих групп много разновидностей преобразователей, основой для
создания которых служат те или иные физические явления. В качестве
основных, наиболее широко используемых явлений могут быть названы
следующие:
> явление электромагнитной индукции;
> силовое взаимодействие измеряемого магнитного поля с полем постоянного
магнита или контура с током;
> гальваномагнитные явления;
> явление изменения магнитных свойств материалов в магнитном поле;
> явления, возникающие при взаимодействии микрочастиц с магнитным полем.
Вторая часть прибора для измерения магнитных величин может быть либо
обычным прибором для измерения электрической величины, либо прибором со
специальными характеристиками.
1. Применение баллистического гальванометра
В лабораторной практике при исследованиях электрических машин, аппаратов,
трансформаторов, при испытаниях магнитных материалов, применяемых в
производстве на электротехнических заводах, часто возникает необходимость
измерения магнитных величин, как то: магнитного потока, магнитной
индукции, магнитодвижущей силы, напряженности магнитного поля, магнитной
проницаемости, а также потерь на гистерезис и вихревые токи в
ферромагнитных материалах.
В большинстве случаев магнитные величины измеряют косвенным методом —
путем измерения тех или иных электрических величин (тока, э.д.с.,
количества электричества), функционально связанных с измеряемой магнитной
величиной. Измерения магнитных величин в настоящее время составляют
большой самостоятельный раздел измерительной техники с глубоко развитой
теорией.
Некоторые методы и аппаратуру для магнитных измерений используют не
только в лабораториях, специализированных в области магнитных измерений,
но также и в более универсальных лабораториях, занимающихся испытаниями и
исследованиями электрических машин и аппаратов. К числу широко
распространенных магнитных измерений относятся:
а) измерения при помощи баллистического гальванометра;
б) измерения с помощью флюксметра;
в) определение потерь в стали ваттметровым методом;
г) измерения переменных магнитных потоков при помощи потенциометра.
На рис.1 приведена схема, поясняющая общий принцип измерения постоянного
магнитного потока с помощью баллистического гальванометра. Для измерения
магнитного потока к гальванометру необходимо присоединить измерительную
рамку с некоторым числом витков w, находящуюся в исследуемом постоянном
магнитном поле. Витки рамки будут охватывать некоторый поток Фх.
В основу действия данного прибора положен принцип, согласно с которым
первый наибольший отброс указателя баллистического гальванометра
пропорционален числу потокосцеплений магнитного потока с витками
измерительной рамки.
На рис. 2 приведена практическая схема применения баллистического
гальванометра для снятия кривой намагничивания, т. е. для определения
зависимости B=f(H). На кольцевой сердечник 1 из исследуемой стали
накладывают две обмотки: намагничивающую 2 и измерительную 3. К
измерительной обмотке подключается баллистический гальванометр.
Намагничивающая обмотка питается от источника постоянного тока 4 через
амперметр и реостат. Переключатель 5 позволяет изменять направление тока в
обмотке.
Напряженность магнитного поля внутри кольцевого соленоида (тороида) может
быть подсчитана на основании закона полного тока по формулам:
[pic]
где wi — число витков намагничивающей обмотки;
l — значение тока, A;
lср — средняя длина силовой магнитной линии в тороиде, отмеченная на
рис. 2 пунктиром и легко вычисляемая по геометрическим размерам испытуемого
образца.
Для определения зависимости B=f(H) в намагничивающей обмотке устанавливают
ток, соответствующий заданному значению H и заранее подсчитанный по
приведенной формуле, затем быстро изменяют направление тока в обмотке при
помощи переключателя 5. При перемене направления тока магнитный поток в
сердечнике изменится по некоторому сложному закону от значения +Ф до
значения —Ф, т. е. изменение потока в измерительной рамке будет равно 2Ф, и
с учетом этого подсчитывают поток в сердечнике:
[pic]
Зная поток и поперечное сечение испытуемого образца, находят значение
магнитной индукции
[pic]
где s — сечение образца, см2.
Найденное значение В и ранее вычисленное значение Н позволяют подсчитать
магнитную проницаемость
[pic]
2. Флюксметр
Весьма удобным прибором для измерения постоянного магнитного потока
является флюксметр, называемый иногда веберметром или милливеберметром.
Флюксметр представляет собой прибор магнитоэлектрической системы, в
котором подвод тока к подвижной рамке осуществляется не через пружинки, а
через безмоментные спирали, т. е. в его измерительном механизме отсутствует
противодействующий момент. Вследствие этого указатель флюксметра при
отсутствии тока в обмотке рамки может занимать любое положение относительно
шкалы.
Флюксметр, как и большинство гальванометров магнитоэлектрической системы,
имеет бескаркасную рамку, однако он рассчитывается так, чтобы при внешнем
сопротивлении, меньшем 20 ом, подвижная часть оказывалась в режиме
переуспокоения. Как и у баллистического гальванометра, подвижная часть
флюксметра выполняется со сравнительно большим моментом инерции.
На рис. 3 приведена схема, поясняющая процесс измерения магнитного потока
при помощи флюксметра. Для измерения магнитного потока, например
постоянного магнита 1, к зажимам флюксметра присоединяется измерительная
рамка 2, состоящая из достаточного количества витков медной проволоки.
Если эту рамку надеть на испытуемый магнит так, как это показано на рис.
12.3, то во время перемещения рамки 2 в ней будет наводиться э.д.с.,
создающая ток в цепи прибора. Под действием этого тока подвижная рамка 3
прибора начнет поворачиваться. После того как измерительная рамка 2 будет
приведена в положение, показанное на рис 3, и остановлена, э.д.с.,
действовавшая в ней, исчезнет, но рамка 3 по инерции будет еще немного
продолжать двигаться. Переместившись на некоторый угол a от начального
положения, рамка 3 остановится.
Теория флюксметра показывает, что движение рамки прекращается после того,
как число потокосцеплений витков рамки 3 с потоком магнита 4 изменится на
столько же, сколько создалось потокосцеплений измерительной рамки 2 с
измеряемым потоком Ф.
Если успокоение прибора достаточно велико, для чего сопротивление цепи
рамки не должно превышать некоторый определенный для данной конструкции
предел (обычно 8—20 Oм), то между углом поворота стрелки флюксметра и
измеряемым магнитным потоком будет иметь место простая зависимость
[pic]
где Ф – измеряемый поток;
w — число витков измерительной рамки 2;
Сф— постоянная флюксметра в максвелл-витках или вебер-витках на одно
деление шкалы.
Определение постоянной флюксметра Сф производится таким же способом,
как и определение постоянной баллистического гальванометра, с применением
образцовых взаимных индуктивностей.
При описанном устройстве флюксметра работа с ним затрудняется из-за
невозможности установки его подвижной части в нулевое положение, так как
при снятии катушки 2 с испытуемого магнита рамка 3 хотя и получит толчок в
обратном направлении, но не придет точно в исходное нулевое положение. Это
обусловлено неизбежным необратимым рассеиванием энергии в виде тепла,
выделяемого током в цепи рамки, а также потерями энергии на трение в опорах
подвижной части прибора и трение ее о воздух. В изготовляемых
микровеберметрах имеется дополнительное приспособление — электромагнитный
корректор, позволяющий устанавливать стрелку прибора в любое положение, в
частности и на нулевую отметку. Это приспособление, встроенное в корпус
прибора, схематически показано на рис. 12.3 и обведено пунктиром.
Устройство его подобно механизму магнитоэлектрического прибора: между
полюсами постоянного магнита помещена рамка 5, которую можно поворачивать
от руки головкой 6.
Для изменения положения указателя флюксметра относительно его шкалы, в
частности для установки указателя на нулевую отметку, переключатель 7
переводят в положение, отмеченное буквой К, при котором рамка прибора
соединяется с рамкой корректирующего устройства. При этой схеме поворот
рамки 5 головкой 6 будет вызывать соответствующее изменение положения
указателя флюксметра. Установив указатель флюксметра в желаемое положение,
переводят переключатель 7 в рабочее положение, отмеченное на рис. 3 буквой
И.
Флюксметр является прибором менее чувствительным, чем баллистический
гальванометр, и поэтому не может применяться для измерения слабых магнитных
полей.
При измерении достаточно сильных полей флюксметр имеет ряд преимуществ
по сравнению с баллистическим гальванометром. Постоянная флюксметра
практически не изменяется при изменении внешнего сопротивления цепи рамки в
достаточно широких пределах от нуля до 8—20 Ом Наибольшее допустимое
значение этого сопротивления указано на шкале прибора. Показания флюксметра
остаются правильными при изменении в широких пределах скорости удаления
(или внесения) измерительной рамки из магнитного поля. При работе с
баллистическим гальванометром эта операция должна производиться очень
быстро (за 0,1—0,2 секунды) Указатель флюксметра, отклонившись на
определенный угол, остается в этом положении неподвижным достаточно долго
для спокойного отсчета показаний. В противоположность этому, при работе с
баллистическим гальванометром для обеспечения правильности отсчета
максимального отклонения указателя требуется большое напряжение внимания.
3. Пермеаметры
Исследование свойств стали путем снятия кривой намагничивания кольцевой
пробы (см рис. 12 2) дает наиболее точные результаты, но практически
неудобно из за трудности изготовления образца и из-за сложности наложения
на него обмоток. Эти затруднения отпадают при применении пермеаметров —
устройств, позволяющих быстро и удобно осуществлять относительно
равномерное намагничивание образцов стали, имеющих форму стержней круглого
или прямоугольною сечения
На рис. 4а, а дан внешний вид одной из конструкций пермеаметра, а на рис
4б приведена схема включения его.
Основными частями этого пермеаметра являются массивная рама 1 из мягкой
стали с высокой магнитной проницаемостью и две обмотки w1 и w2. Через
боковые отверстия в раму вводится испытуемый образец Р, плотно зажимаемый
при помощи специальных конических втулок. Обмотка w1 является
намагничивающей, обмотка w2 служит для включения баллистического
гальванометра. Переключатель 2 позволяет включать и изменять направление
тока в намагничивающей обмотке. Порядок определения магнитного потока в
испытуемом образце остается таким же, как и при испытании кольцевой пробы.
Некоторое затруднение возникает с вычислением напряженности магнитного поля
Н. Вычисление ее по формуле
[pic]
где l — длина образца, было бы справедливо только при бесконечно малом
магнитном сопротивлении ярма и стыков пробы с ярмом Сопротивлением этим
можно пренебречь при испытании материалов с низкой магнитной проницаемостью
(чугун, поделочные стали),
а— внешний вид б — схема включения
при испытании же проб с высокой магнитной проницаемостью необходимо при
вычислении напряженности поля вводить поправки. Эти поправки даются в виде
кривых срезывания, прилагаемых к прибору.
Амперметры, предназначенные для пермеаметров, иногда градуируют не в
амперах, а в значениях напряженности магнитного поля исходя из приведенной
выше зависимости между Н и I.
4. Исследование стали в переменном магнитном поле
Магнитные свойства стали, определенные описанными выше способами на
постоянном токе, позволяют определить характеристики стали и при переменном
магнитном потоке В частности, по площади петли гистерезиса можно подсчитать
потери на гистерезис при переменном потоке. По эмпирическим формулам могут
быть вычислены и потери на вихревые токи Подобные вычисления дают только
приближенные результаты, поэтому желательно определять характеристики
электротехнических сталей на переменном токе путем непосредственных
измерений.
Ваттметровый метод. На рис 5 дан общий вид, а на рис. 6 приведена схема
аппарата для определения ваттметровым методом потерь в пробах листовой
стали, применяемой для изготовления магнитопроводов электрических машин и
трансформаторов. Четыре гетинаксовые втулки 1 прямоугольного сечения
укреплены на общем основании, образуя квадрат. На втулках помещены две
обмотки с равным числом витков: w1 намагничивающая и w2 — измерительная. Во
втулки закладывают пакеты 2 из листов испытуемой стали. Стыки пакетов
тщательно стягиваются при помощи особых зажимов, не показанных на схеме.
Для устранения потерь в стыках в них закладывают тонкие прокладки из
электротехнического картона, толщина которых предварительно тщательно
измеряется микрометром и в дальнейшем учитывается при подсчете
намагничивающих ампер-витков.
Намагничивающая обмотка питается от источника переменного " тока с
регулируемой частотой, измеряемой частотомером Hz. К вольтметру V и к
параллельной обмотке ваттметра подается напряжение от измерительной
обмотки. Переменный ток, проходя по намагничивающей обмотке, создает в
сердечнике переменный магнитный поток с амплитудным значением Фм.
Этот поток создает в измерительной обмотке э.д.с
Ваттметр, включенный по схеме (см. рис.6), измеряет сумму мощности,
затрачиваемой на покрытие потерь в стали, и мощности, потребляемой
вольтметром и параллельной обмоткой ваттметра. Учитывая это, потери в
образце определяют по формуле
[pic]
где Рвт— показание ваттметра,
RB—сопротивление вольтметра;
Rm —сопротивление параллельной обмотки ваттметра.
Индукционный метод. Для исследования свойств образцов стали при
намагничивании переменным током, а также для определения характеристик
готовых магнитопроводов переменного тока широко применяют индукционный
метод измерения магнитного потока.
Индукционный метод по существу заключается в измерении э.д.с.,
индуктированной исследуемым переменным магнитным потоком в измерительной
обмотке с известным числом витков.
Измерение индуктированной э.д.с. может производиться различными
средствами, одним из которых является потенциометр переменного тока. На
рис. 7 дан пример использования потенциометра для измерения переменного
магнитного потока в какой-либо части сложной магнитной цепи.
Измерительную рамку 1 с известным числом витков помещают в данный
аппарат или машину так, чтобы она охватывала весь магнитный поток,
подлежащий измерению.
Электродвижущую силу Е, возникающую в рамке 1, измеряют потенциометром
переменного тока, после чего магнитный поток подсчитывается по формуле
[pic]
По найденному значению Фm, зная размеры магнитопровода, можно подсчитать
индукцию в данном участке магнитной цепи по формуле
[pic]
где s — сечение магнитопровода.
Этой же формулой пользуются и для определения магнитной индукции в каком-
либо воздушном зазоре магнитной цепи, если можно пренебречь явлением
распора силовых линий.
При необходимости измерить индукцию в воздушном зазоре магнитной цепи,
когда нельзя пренебречь явлением распора силовых магнитных линий, помещают
непосредственно в зазор миниатюрную измерительную рамку с известной
площадью sp. В этом случае определяется среднее значение индукции в том
месте зазора, где находится рамка, по формуле
[pic]
где sp — площадь рамки, м2.
Особым преимуществом описанного способа измерения магнитного потока
является отсутствие тока в измерительной рамке. Это позволяет произвести
измерение без нарушения нормального режима и распределения магнитных
потоков в исследуемом аппарате.
Измерение по схеме (рис. 12.7) дает возможность определять не только
модуль, но и фазу магнитного потока, и выяснять таким путем полную картину
электрических и магнитных процессов в данной конструкции.
При помощи потенциометра, в частности, можно снимать основную кривую
намагничивания кольцевой пробы на переменном токе и определять потери в
образцах стали.
Нужно отметить, что при работе с потенциометром переменного тока
применяется вибрационный гальванометр, настраиваемый на основную частоту,
поэтому измерение магнитного потока с помощью потенциометра дает хорошие
результаты только в тех случаях, когда форма кривой измеряемого потока не
очень существенно отличается от синусоиды.
5. Осциллографирование кривой гистерезиса.
Кривую гистерезисного цикла можно снять по точкам на постоянном токе при
помощи баллистического гальванометра, однако она будет несколько отличаться
от реальной кривой при работе магнитопровода с переменным магнитным
потоком. Существует способ, позволяющий визуально наблюдать кривую
гистерезисного цикла при намагничивании образца переменным током на экране
электронного осциллографа. Применяемая для этого схема приведена на рис.8.
Подлежащий исследованию сердечник в форме, например, кольца 1, набранного
из листов стали, снабжается намагничивающей 2 и измерительной 3 обмотками.
Необходимое значение намагничивающего тока устанавливается по амперметру А.
Напряжение с шунта r подается на пластины горизонтального отклонения
электронного осциллографа; отклонение луча по горизонтали в каждый данный
момент будет пропорционально намагничивающему току и соответственно
напряженности поля Н, мгновенное значение падения напряжения на
конденсаторе пропорционально мгновенному значению индукции в образце. Это
напряжение подается на пластины вертикального отклонения осциллографа, и на
экране получается изображение кривой гистерезисного цикла.
Кривая гистерезисного цикла, получаемая описанным способом на экране
осциллографа, и по форме и по площади отличается от кривой, снятой с
данного образца на постоянном токе с помощью баллистического гальванометра.
Причина этого заключается в том, что площадь гистерезисной кривой,
снимаемой на постоянном токе, определяется только потерями на гистерезис, а
на экране осциллографа получается кривая, площадь которой соответствует
сумме потерь на гистерезис и на вихревые токи.
Литература
1. Таранов С.Г., Феврлёва Н.Е. Магнитные измерения
2. Ю.Н. Маслов Магнитные измерения и приборы
3. Ю.В. Селезнев Методы и устройства магнитных и электрических
измерений
-----------------------
Рис. 1. Схема, поясняющая принцип измерения магнитного потока при
помощи баллистического гальванометра
Рис. 2. Схема испытания кольцевой пробы стали при помощи баллистического
гальванометра
[pic]
Рис. 3. Схема устройства и применения флюксметра
Рис 4. Пермеаметр
Рис.5 Аппарат для определения потерь в стали
Рис. 6. Схема для определения потерь в стали ваттметровым методом
Рис. 7 Измерение магнитного потока
Рис. 8 Схема для осциллографирования кривой гистерезиса
Реферат на тему: Магнитные материалы для микроэлектроники
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
СУМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра физической электроники
РЕФЕРАТ
по курсу: ''ЭДСС''
на тему: ''Магнитные материалы для микроэлектроники''
Выполнил
студент группы ФЭ-01 Захаров И. В.
СУМЫ - 2003
План
ВВЕДЕНИЕ
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ НА ЦМД
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
ПЛЕНКИ ДЛЯ ТЕРМОМАГНИТНОЙ ЗАПИСИ
ВВЕДЕНИЕ
С прогрессом электронной техники предъявляются новые требования к
магнитным материалам. Это обусловлено и миниатюризацией устройств, и
необходимостью разработки запоминающих и логических элементов большой
емкости и быстродействия при малом весе. Необходимы магнитные материалы,
прозрачные в оптическом и ИК-диапазоне, обладающие большой коэрцитивной
силой, намагниченностью насыщения, сочетающие в себе магнитные и
полупроводниковые свойства. Многие такие материалы можно создать на основе
редкоземельных материалов.
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ НА ЦМД
Для генерирования цилиндрических магнитных доменов используются тонкие
магнитные пленки феррит-гранатов R3Fe5O12 и ортоферритов RFeO3. Первые
содержат домены с размерами до 1 мкм, что позволяет получить плотность
размещения информации до 107 бит/cм2, вторые обладают рекордно высокими
скоростями
передвижения до 104 м/с.
Идея записи на ЦМД состоит в том, что двоичное число можно представить
цепочкой ЦМД, где логическая "1" - наличие ЦМД, "О" - отсутствие.
Осуществление логических операций с помощью ЦМД-устройств основывается на
возможности движения ЦМД в пленке в двух, трех и т.д. направлениях.
В технике обычно используются монокристаллические пленки, выращиваемые
на немагнитной подложке, кристаллическую структуру и постоянную решетки
подложки подбирают в соответствии с требуемой структурой получаемой пленки.
В последнее время начали использовать аморфные магнитные пленки
сплавов переходных металлов с РЗ металлами типа Gd-Go и Gd-Fe, в которых
возможно получение ЦМД с диаметром < 1 мкм, что позволяет повысить
плотность записи информации до 109 бит/см2. Их отличают также простота
изготовления, относительно низкая стоимость. Недостатком таких пленок
является их низкая термостабильность.
Все материалы-носители ЦМД характеризуются большой одноосной магнитной
анизотропией. Чем больше поле анизотропии, тем ближе направление
намагниченности ЦМД к нормали плоскости пластины и тем меньше отклонение
формы стенок ЦМД от цилиндрической., Для одноосных кристаллов напряженность
поля анизотропии, необходимая для зарождения изолированного домена,
оценивается по формуле
[pic]
где К, — константа одноосной анизотропии, составляющая в среднем для ЦМД-
материалов 103—104 Дж/м3; ls - намагниченность насыщения, равная при
комнатных температурах в среднем 104А/м.
В ЦМД-материалах Hа=105-М07 А/м. В ряде ЦМД-материалов наблюдаются
небольшие отклонения от одноосности, обусловленные орторомбической и
кубической симметрией вещества.
Отношение поля анизотропии к намагниченности насыщения определяет фактор
качества магнитоодноосного кристалла:
[pic]
Фактор качества — количественная оценка жесткости ориентации магнитного
момента домена в направлении нормали к плоскости пластины — должен быть
существенно больше единицы. На практике требуется иметь значения q не менее
3—5. Верхний предел ограничен требуемым быстродействием устройств (см.
ниже).
Для оценки свойств материалов, содержащих ЦМД, введено понятие
характеристической длины 10
[pic]
где[pic]—удельная энергия доменной границы, Дж/м2; A'—A/а — обменная
константа, примерно равная для ЦМД-материалов 10~10— 10-11 Дж/м.
Характеристическая длина lо имеет размерность длины и связана с
толщиной h пластины и диаметром D домена. С точки зрения увеличения
плотности размещения информации желательно, чтобы диаметр домена был как
можно меньше. Минимально достижимый диаметр домена при заданном материале
Amin=3,9*lo имеет место для пластин (пленок) толщиной A = 3,3lо. В
технических устройствах, где используют ЦМД, рекомендуется выбирать h~4*l0,
так как при этом способность доменов восстанавливаться после флуктуации
наиболее сильно выражена. При h = 4*l0 поле, соответствующее середине
области устойчивых цилиндрических доменов, H=0,28l3> а диаметр доменов в
этом поле D —8l0.
Уменьшение размера ЦМД достигается применением материалов с малым lо.
Из следует, что увеличение намагниченности материала способствует этому в
большей степени, чем снижение А .
Действительно, снижение фактора качества q ухудшает условия статической
устойчивости ЦМД. Уменьшение обменной константы А' нецелесообразно,
поскольку при этом снижается температурная устойчивость ЦМД. Минимальный
размер домена, полученный в настоящее время в аморфных и гексагональных
ферромагнетиках, составляет около 0,08 мкм. Температурный диапазон
устойчивости ЦМД-структур достаточно широк (—50 + 60° С). Точка Нееля
большинства современных ЦМД-материалов лежит в пределах 560—720 К.
Важной характеристикой материалов для ЦМД-устройств является
коэрцитивная сила Нс, во многом определяющая подвижность доменов. Чем
меньше Не, тем выше быстродействие ЦМД-устройства. Скорость перемещения
домена также зависит от подвижности доменной границы urp. игр обратно
пропорциональна фактору качества q. Поэтому материалы, обладающие большими
значениями q, не отвечают требованиям высокого быстродействия ЦМД-
устройств.
ЦМД могут быть получены во многих магнитных материалах, обладающих
сильной одноосной анизотропией.
Ортоферриты RFeO3 — первые материалы, на которых были изучены ЦМД. В
настоящее время эти материалы в промышленных ЦМД-устройствах практически не
применяются, поскольку диаметр ЦМД ортоферритов порядка 80—100 мкм не
позволяет обеспечить высокую плотность записи информации. Однако в ряде
случаев ор-тоферриты, обладающие высокими магнитооптическими параметрами,
сохранили свои позиции. Их применяют в виде пластинок, вырезанных
определенным образом из монокристалла и доведенных посредством механической
полировки до нужной толщины.
Монокристаллы ортоферритов получают обычными способами (см. § 2.20). Одним
из наиболее перспективных считают выращивание монокристаллов из расплава с
применением бестигельной зонной плавки и радиационного нагрева. Этот метод
включает изготовление исходных для выращивания монокристаллов
поликристаллических заготовок в виде цилиндрических стержней методами
керамической технологии. Процесс кристаллизации осуществляется следующим
образом. Из предварительно полученного любым методом монокристалла вырезают
вдоль определенного кристаллографического направления затравку, которую
закрепляют на керамическом или сапфировом держателе. По оси затравки с
высокой точностью устанавливают исходный поликристаллический стержень.
Камера герметизируется, продувается и подключается к системе давления
кислорода. Затравку и питающий стержень приводят во вращение, сближают до
минимального расстояния и нагревают по определенному режиму. В месте
сближения затравки и стержня образуется расплавленная зона. При медленном
(5—10 мм/ч) перемещении стержней относительно зоны па затравке начинается
кристаллизация. После окончания процесса выращивания кристалл подвергают
отжигу для уменьшения He извлекают из кристаллизационной камеры и отрезают
от затравки. Таким образом можно получить монокристаллы в виде цилиндров
диаметром до 8 мм и длиной до 80 мм.
Ферриты-гранаты со структурной формулой RзFе5012 содержат домены с
диаметром порядка не более нескольких микрометров, что позволяет получить
плотность размещения информации 105 бит/см2 и даже выше. Однако подвижность
доменных границ этой группы материалов ниже, чем у ортоферрптов, и
приблизительно равна 0,025 м2/(А-с).
Толщина пластинок из ферритов-гранатов должна быть порядка микрометра.
Такие тонкие пластины механической обработкой получить нельзя. Поэтому
вместо пластин применяют монокристаллические пленки, изготовляемые
эпитаксиальным методом — наращиванием пленки па немагнитной подложке.
Кристаллическую структуру и постоянную решетки подложки подбирают в
соответствии с требуемой структурой получаемой пленки.
Изготовление пленок эпитаксиальным методом производят путем
химического осаждения металлов, входящих в состав граната, в виде
галогенидных паров на монокрпсталлпческую немагнитную подложку либо путем
погружения подложки и расплав соответствующих оксидов граната.
Способ эпитаксии из газовой фазы обеспечивает получение пленок более
высокого качества, однако эпитаксия из жидкой фазы не требует сложных
установок и более технологична. Промышленное изготовление тонких пленок
производят методом изотермической эпитаксии из переохлажденного расплава.
Недостаток эпитаксиальных пленок заключается в сравнительно высокой
стоимости изготовления и обработки подложки. Необходимая для образования
ЦМД одноосная анизотропия возникает в процессе технологии изготовления
пленок и обусловлена механическими напряжениями, которые появляются из-за
неполного соответствия постоянных решетки подложки и эпитаксиального слоя,
а также вследствие влияния небольших примесей свинца пли висмута, которые
попадают в пленку из расплава.
Для подавления твердых ЦМД принимают специальные технологические меры,
направленные на создание определенной структуры доменной стенки: ионное
внедрение или покрытие поверхности пленки феррита-граната тонкой пленкой
пермаллоя. При ионной имплантации вследствие бомбардировки пленки ионами с
высокой энергией на ее поверхности образуется замыкающий магнитный слой
толщиной меньше 1 мкм, намагниченность которого вследствие возникающих
механических напряжений направлена перпендикулярно намагниченности ЦМД и
лежит в плоскости пленки. Наиболее простым способом подавления твердых ЦМД
является отжиг пленок в инертной среде при 1100° С.
Аморфные магнитные пленки сплавов переходных металлов с редкоземельными
металлами типа Gd-Co и Gd-Fe являются сравнительно новыми перспективными
доменосодержащими материалами с диаметром ЦМД меньше 1 мкм, что позволяет
повысить плотность записи информации до 109 бит/см2. Их отличают также
простота изготовления, относительно низкая стоимость, поскольку свойства
аморфных материалов в отличие от эпитаксиалыных пленок слабо зависят от
материала и качества подложки.
Магнитоупорядоченные интерметаллическне пленки GdCo3 и GdFe2
обеспечивают существование устойчивых ЦМД при определенном соотношении
между компонентами состава, определенной толщине пленки и соответствующих
условиях выращивания. Пленки производят чаще всего методом радиочастотного
распыления на подложки из стекла пли электролитическим осаждением па
подложки из меди.
Гексагональные ферриты со структурными формулами характеризуются
высокой намагниченностью насыщения, высоким фактором качества, но их низкая
подвижность ограничивает область применения этих материалов.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Ряд веществ, в том числе ферромагнетики, обладают магнитной
оптической активностью. Наведенная магнитным полем оптическая активность
проявляется и двух эффектах - Фарадея и Керра. Эффект Фарадея сводится к
повороту плоскости линейной поляризации светового луча, проходящего через
магнитооптическую среду. Угол поворота при направлении магнитного поля
вдоль луча пропорционален напряженности магнитного поля. Нечто похожее
наблюдается и при отражении линейно поляризованного луча света от
поверхности ферромагнитного материала в присутствии магнитного поля. Этот
эффект именуют эффектом Керра. Прошедший или отраженный свет несет, таким
образом, информацию о текущем значении напряженности магнитного поля на
поверхности ферромагнитного материала, зафиксированную углом поворота
плоскости поляризации луча.
Модуляцию луча по поляризации следует преобразовать в модуляцию но
интенсивности. Эта операция может быть выполнена чисто оптическими
средствами. .Для этого достаточно магнитооптический элемент поместить (по
лучу) между скрещенными поляризаторами (направления пропускания линейно
поляризованного света поляризаторов перпендикулярны). Систему скрещенных
поляризаторов принято называть поляризационным микроскопом. Эта система, в
принципе, не пропускает свет. Однако, если в такой микроскоп ввести
оптически активную среду, то часть света, пропорциональная квадрату синуса
угла поворота плоскости поляризации, пройдет через систему. Итак, с помощью
эффекта магнитооптической активности удается промодулировать свет по
интенсивности приблизительно пропорционально квадрату напряженности
магнитного поля. Магнитооптические эффекты применяются при считывании
информации с магнитооптических дисков.
РЗ ортоферриты и ферриты-гранаты являются одними из лучших
магнитооптических (МО) материалов, что обусловлено высокой прозрачностью
для видимого и ближнего ИК-диапазонов, значительной величиной эффекта
Фарадея и большим значением коэффициента оптической добротности (отношение
угла фарадеевского вращения к коэффициенту поглощения). Монооксид европия
обладает рекордными значениями величины фарадеевского вращения (до 106
градЧ см), что делает его очень перспективным для применения в качестве
магнитооптического материала.
Принцип действия магнитооптических устройств основан на использовании
различных магнитооптических эффектов (Фарадея, Керра) в доменных
структурах, перестраиваемых под воздействием внешних полей (тепловых,
магнитных и т.д.).
Например, МО-модулятор осуществляет пространственную модуляцию
световой волны при прохождении ее через перемагничиваемую доменную
структуру тонкой магнитной пленки. Принцип модуляции основан на
периодическом повороте плоскости поляризации света в пленке при подаче
периодического управляющего сигнала в обмотку управления. Полученную
фазовую модуляцию светового пучка с помощью анализатора преобразуют в
амплитудную.
Из других МО-устройств можно выделить оптические ЗУ, МО-устройства
сканирования света и ряд других.
Пригодность магнитных материалов для создания на их основе
магнитооптических устройств зависит от совокупности магнитооптических
свойств.
Магнитооптические свойства оценивают по магнитооптической активности в
диапазоне оптических волн с учетом возможной их анизотропии.
Магнитооптическую активность характеризуют с помощью угла удельного
фарадеевского вращения _____________ и коэффициента поглощения:
где d — толщина образца; I0, I1 — соответственно интенсивности
падающего и прошедшего кристалл света.
Феррогранаты имеют окно прозрачности в диапазоне волн 1,15— 5 мкм.
Наиболее перспективными материалами являются чистые железоиттриевые гранаты
(ЖИГ) и висмутосодержащие гранаты, в которых часть иттрия заменена на
висмут.
Синтезирование эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов, включающее
подбор состава исходных пленок и подложки, выбор оптимальной обработки
(отжига), обеспечивает получение материалов с высокими магнитооптическими
свойствами, различающихся по намагниченности, коэрцитивной силе,
анизотропии, подвижности доменной стенки и т. п.
Ферриты-гранаты являются основными магнитооптическими материалами в
инфракрасной области. Для видимого света они мало пригодны. Имеются данные
об использовании высококачественных пленок ферритов-гранатов в видимом
свете .
Однако при реализации устройств на этих материалах надо иметь в виду
следующие особенности. Технология производства ортоферптов не позволяет
изготавливать очень тонкие пластины (меньше 1 мкм). Именно по этой причине
ортоферриты применяют при ?>0,5 мкм, хотя имеются данные о том, что и при ?
= 0,45 мкм их оптические свойства выше свойств MnBi-пленок. Оптимальная
толщина пластин ортоферритов для ?=0,63 мкм составляет 60—90 мкм. Вторая
особенность связана с оптической анизотропностью ортоферритов,
обусловленной низкой симметрией ромбической ячейки. Для исключения явления
двулучепреломления пластины из ортоферритов вырезают нормально к оптической
оси. При этом реализуется устойчивая полосовая доменная структура, а не
ЦМД. Установлено, что в очень тонких пластинах при толщинах порядка 1 мкм
двулучепреломление незначительно, и материал можно в этом случае считать
изотропным. Введение в ортоферрит ионов редкоземельных элементов
значительно повышает изотропность их оптических свойств.
Феррошпинели, содержащие ионы Со2+ в тетраэдрических позициях
используют в качестве магнитооптических материалов при ?= 5 - 12 мкм, где
они обладают высокой прозрачностью и большим ? (до 105 град/см). Это
практически единственные материалы, пригодные для создания
магнитооптических устройств в этом диапазоне волн.
ПЛЕНКИ ДЛЯ ТЕРМОМАГНИТНОЙ ЗАПИСИ
Термомагнитный эффект
Магнитные свойства ферромагнетиков существенно зависят от
температуры. Достаточно точно эта зависимость описывается законом Кюри-
Вейса: µ=С/(ТК - Т), где С - некоторая константа (константа Кюри),
зависящая от материала, ТК - температура (точка) Кюри. Закон обратной
зависимости магнитной восприимчивости парамагнетиков от температуры
установлен в 1895 г французским физиком П.Кюри. Позже, в 1907 г другой
француз П.Вейс уточнил закон применительно к ферромагнетикам.
По закону Кюри-Вейса при Т, стремящимся к ТК, магнитная
восприимчивость расходится (становится бесконечно большой). Это не должно
смущать, поскольку Тк - особая точка. При температуре Кюри происходит
переход вещества из парамагнитной фазы в ферромагнитную. При температуре
ниже точки Кюри вещество является ферромагнетиком, выше - парамагнетиком.
При приближении (снизу по температуре) магнитная восприимчивость µ резко
возрастает. Этот процесс поясняется рис. 3.
[pic]
По мере роста температуры возрастает крутизна наклонных участков
петли гистерезиса (соответственно, и |i). При этом уменьшается коэрцитивная
сила и максимальная остаточная намагниченность, а отношение ВН/НК растет.
Все это ведет к резкому росту эффективности записи.
Естественно, эти особенности магнитных свойств ферромагнетиков
вблизи точки Кюри заинтересовали изобретателей. Среди материалов, пригодных
для записи на ленточный носитель, наименьшей температурой фазового перехода
обладает диоксид хрома. Точка Кюри этого материала составляет 128 °С (у
гамма-оксида железа, например, температура Кюри составляет 650 °С). Она
достаточно велика, но тем не менее, в сочетании с точечным лазерным
подогревом материала, гамма-оксид железа может применяться на практике. В
качестве примера на рис. 4 приведена схема лазерного подогрева при
термомагнитном тиражировании магнитных записей.
[pic]
К барабану прижаты две ленты: снизу с носителем из гамма-диоксида
железа - оригинал, сверху с диоксидом хрома - копия. Ленты соприкасаются
рабочими слоями. Сфокусированный луч лазера разогревает рабочий слой ленты-
копии до температуры немного выше точки Кюри. Температура разогретой точки
(точнее штриха с длиной, равной ширине дорожки записи) достаточно быстро
остывает за счет тепловой диффузии. При переходе через точку фазового
перехода, когда магнитная восприимчивость сверхвысокая, рабочий слой ленты-
копии легко намагничивается. При дальнейшем остывании магнитная
восприимчивость быстро уменьшается и запись относительно слабых полей,
создаваемых лентой-оригиналом, становится невозможной. В процессе
транспортировки лент оригинала и копии зона записи перемещается.
Скопированная сигналограмма зеркальна по отношению к сигналограмме
оригинала. Поэтому запись оригинала ведется так, чтобы формировалась
сигналограмма, зеркальная по отношению к стандартной. Скорость
тиражирования прямо зависит от мощности лазера. Реально удалось реализовать
тиражные машины со скоростями копирования в 300 и более раз выше
номинальной.
Термомагнитиая запись также широко применяется в системах записи на
магнитооптические диски. В этом случае зона мгновенной записи совпадает со
световым пятном, разогревающим термо-магнитный материал. Магнитное поле при
этом может быть рассеянным в области, значительно превышающей снеговое
пятно, и должно быть достаточно слабым, чтобы нс воздействовать на
неосвещенные участки.
Для создания конкретных технических устройств с термомагнитной записью
в качестве материалов используют ферромагнитные и ферримагнитные пленки с
разнообразными термомагнитными характеристиками. Под влиянием температуры в
различных материалах может изменяться намагниченность, коэрцитивная сила,
анизотропия и другие параметры.
Принято классифицировать магнитные материалы для термомагнитной записи
по типу термомагнитного эффекта, который при этом используется.
Материалы для записи в точке Кюри. Их применение основано на
использовании температурной зависимости спонтанной намагниченности вблизи
точки Кюри 0.
Эта группа материалов состоит из металлических пленок с сильной
перпендикулярной анизотропией, классическим представителем которой является
маргапцево-впсмутовая пленка (MnBi), обеспечивающая плотность записи
порядка 106 бит/см2.
Монокристаллические марганцево-висмутовые пленки изготавливают
напылением на подложку из слюды слоев Bi и Мп, поверх которых для защиты
пленки от разложения и для снижения потерь на отражение наносят слой SiO
определенной толщины. Для получения однородного слоя соединения MnBi эту
многослойную структуру отжигают при Т = 300° в течение 70 ч в вакууме, в
результате чего образуется пленка с низкотемпературной фазой
(гексагональной кристаллической структуры), причем ось легкого
намагничивания ориентирована перпендикулярно подложке.
При локальном нагревании участка пленки выше точки Кюри (Т»360°С)
происходит временная потеря намагниченности. Магнитное поле напряженностью
24 кА/м, приложенное перпендикулярно поверхности пленки, обеспечивает
полное перемагничивание этого локального участка при сохранении исходной
намагниченности других.
Материалы для записи в точке компенсации Тк. Их применение основано на
использовании температурной зависимости коэрцитивной силы ферромагнетика
вблизи точки компенсации.
Если нагреть ферромагнетик, состоящий из двух противоположных по
намагниченности магнитных подрешеток, до температуры, равной точке
компенсации, то наблюдается резкое возрастание анизотропии и коэрцитивной
силы. Небольшое отклонение от Тк приводит к значительному падению Нс и
уменьшению поля зарождения доменов обратной намагниченности.
Группа этих материалов весьма многочисленна.
Материалы для записи в точке переориентации. Их применение основано на
эффекте переориентации спинов под воздействием нагрева до определенной
температуры слабых ферромагнетиков с низкой симметрией, что приводит к
изменению направления оси легкого намагничивания, а следовательно, и к
повороту вектора намагниченности.
Перспективными материалами этой группы являются ортоферри-ты со
значительной перпендикулярной анизотропией. В исходном состоянии вектор
намагниченности по всей пленке расположен перпендикулярно ее поверхности.
Нагрев материала выше точки переориентации приводит к локальному развороту
вектора намагниченности в плоскость пленки. После остывания под действием
сильного поля анизотропии и небольшого поля записи этот вектор возвращается
в исходное состояние, причем его направление на участке записи
противоположно ориентации векторов намагниченности других участков пленки.
Эти материалы позволяют осуществлять запись при комнатной температуре с
высокой чувствительностью при достаточной надежности считывания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Преображенский, Бишард. Магнитные материалы и элементы. 1986г.
2. журнал "Звукорежиссер" 6/2001, с. 3-9
3. www.phys.ru
| |
