Смекни!
smekni.com

Электричество и магнетизм (стр. 21 из 24)

Wr/Sorh/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).

1. Нанести капельку магнитной жидкости с микрокапельными агрегатами на предметное стекло и накрыть ее покровным стеклом.