Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ. Общие сведения о магнетизме
Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает некоторый магнитным момент М. Магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью Jм.
Jм = dM/dV, A/м.
Намагниченность является векторной величиной, в изотропных телах она направлена либо параллельно, либо антипараллельно напряженности магнитного поля Н.
Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля с соотношением Jм = kмН, где kм - магнитная восприимчивость - безразмерная величина, характеризующая способность вещества намагничиваться в магнитном поле. Суммарная магнитная индукция в веществе определяется суммой индукции внешнего В0 и собственного Вi полей.
B = B0 + Bi = 0H + 0Jм = 0H(1 + kм) = 0 Н,
где 0 = 410-7 Гн/м - магнитная постоянная;
= 1 + kм - относительная магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз магнитная индукция В поля в данной среде больше, чем магнитная индукция В0 в вакууме.
Проявление магнетизма в веществе обусловлено процессами движения электронов, которые образуют круговые токи, обладающие магнитными моментами. Магнитный момент электрона складывается из орбитального магнитного момента (вследствие движения электрона вокруг ядра) и спинового момента (вследствие вращения электрона вокруг собственной оси).
2.КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕЩЕСТВ ПО МАГНИТНЫМ СВОЙСТВАМ
По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе подразделяют на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять разных типов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.
1.Диамагнетики.
К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное поле. Диамагнитный эффект является проявлением закона электромагнитной индукции на атомном уровне. Электронную орбиту можно рассматривать как замкнутый контур, не обладающий активным сопротивлением. Под действием внешнего поля в контуре изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. Согласно закону Ленца, этот момент направлен навстречу внешнему полю. Если плоскость электронной орбиты расположена не перпендикулярно Н, то внешнее магнитное поле вызывает прецессионное движение орбиты вокруг направления Н (рисунок 6.1). При этом вектор орбитального магнитного момента (Морб) описывает конус. Угловая скорость прецессии определяет значение отрицательного магнитного момента ΔМ.
Рисунок 1 – Прецессия электронной орбитыпод действием магнитного поля.
Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он, маскируется более сильными магнитными эффектами. Диамагнетизм электронных оболочек выступает на первый план, когда собственный магнитный момент атомов равен нулю (т. е. спиновые магнитные моментыпопарно скомпенсированы).
Диамагнетиками являются инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии. Численное значение магнитной восприимчивости диамагнетиков составляет 10-6 – 10-7. Поскольку
диамагнетики намагничиваются против направления поля, для них выполняется неравенство µ < 1. Однако относительная магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы (за исключением сверхпроводников). Магнитная восприимчивость диамагнетиков незначительно изменяется с температурой. Это объясняется тем, что диамагнитный эффект обусловлен внутриатомными процессами, на которые тепловое движение частиц не оказывает влияния. Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля,
2. Парамагнетики.
К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствие внешнего поля, однако из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично так, что намагниченность вещества в целом равна нулю. Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении.
Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности. Поэтому парамагнитная восприимчивость зависит от температуры. Для большинства твердых парамагнетиков температурное изменение магнитной восприимчивости подчиняется законуКюри–Вейсса:
kм = С/(Т–θ), (6.5)
гдеСи θ – постоянные величины для данного вещества.
При комнатной температуре магнитная восприимчивость парамагнетиков равна 10-3– 10-6. Поэтому их магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы. Благодаря положительной намагниченности парамагнетики, помещенные в неоднородное магнитное поле, втягиваются в него. В сильных полях и при низких температурах в парамагнетиках наступает состояние магнитного насыщения, при котором все элементарные магнитные моментыориентируются параллельно Н.
К парамагнетикам относят кислород, оксид азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, солижелеза, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. Парамагнитный эффект по физической природе аналогичен дипольно-релаксационной поляризации диэлектриков.
3. Ферромагнетики.
К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106), которая зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.
4. Антиферромагнетики.
Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанновозникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость 10-3– 10-5 , которая значительно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Температура перехода, при которой исчезает магнитная упорядоченность, получила название точки Нееля (или антиферромагнитной точки Кюри). Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Tmи др.). Типичными антиферро-магнетикамн являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группытипа оксидов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т. п.
5. Ферримагнетики.
К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированвым антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.
Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые металлические сплавы, но, главным образом, – оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты. Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют сильномагнитные материалы
3. Природа ферромагнитного состояния вещества
У ферромагнетиков нарушен порядок заполнения электронных оболочек атомов. Атомы имеют внутренние незаполненные оболочки и поэтому обладают нескомпенсированным магнитным моментом. По мнению ученых основную роль в создании спонтанной намагниченности играет обменное взаимодействие недостроенных электронных оболочек, перекрывающихся при образовании твердого тела.
Для двух близкорасположенных атомов энергия обменного взаимодействия определяется выражением: ЭА = -А(s1 s2), где А - так называемый обменный интеграл, имеющий размерность энергии; s1 и s2 - единичные векторы, характеризующие направление спиновых моментов взаимодействующих электронов. Численное значение и знак обменного интеграла А зависит от расстояния между атомами a и диаметром оболочки d, содержащей нескомпенсированные спины.
Если a/d (3-4), то величина энергии взаимодействия ЭА незначительна и обменные силы не могут противодействовать тепловому движению и вызвать упорядоченное расположение спинов. Такие вещества проявляют свойства парамагнетиков.
При уменьшении расстояния между атомами обменный интеграл возрастает, т.е. обменное взаимодействие усиливается и становится возможной параллельная ориентация спинов, когда s1 s2 =1, характерная для ферромагнетиков.
При дальнейшем сближении атомов (a/d 1.3) обменный интеграл А становится отрицательным. В таком случае энергетически выгодно антипараллельное расположение спинов (s1 s2 = 1), т.е. такие вещества должны быть антиферромагнетиками.
При наличии спонтанной намагниченности, результирующий магнитный момент предварительно ненамагниченного ферромагнетика равен нулю. Это объясняется тем, что весь объем ферромагнетиков самопроизвольно разбивается на локальные области - домены. В пределах домена спины ориентированы параллельно друг другу. Домен находится в состоянии магнитного насыщения. Направление магнитных доменов внутри образца равновероятно. Характер разбиения образца на домены определяется из условия минимума свободной энергии системы. Внутри образца образуются замкнутые магнитные цепочки и его результирующий магнитный момент будет равен нулю. Линейные размеры домена 10-2 - 10-3мм. Переходной слой, разделяющий два домена называют "стенкой Блоха". В пределах такого слоя происходит постепенное изменение ориентации спинов. Толщина "стенок Блоха" может достигать несколько сот межатомных расстояний(например, в железе около 100 нм).
В зависимости от размеров образца, его физических свойств и ряда других причин существуют разные структуры: однодоменные, полосовые, лабиринтные, цилиндрические и др.
На рисунке.2 приведена зависимость энергии обменного взаимодействия от степени перекрытия электронных оболочек соседних атомов, характеризуемой отношением а/d, где а – расстояние между атомами, а d – диаметр оболочки, содержащей нескомпенсированные спины. Энергия обменного взаимодействия
незначительна, если расстояние между атомами в 3 – 4 раза превышает диаметр электронной оболочки. В этом случае обменные силы не могут противодействовать тепловому движению и вызывать упорядоченное расположение спинов. Соответственно, такие вещества должны проявлять свойства парамагнетиков.
Рисунок.2 – Зависимость энергии обменного взаимодействия от отношения межатомного расстояния а к диаметру d незаполненной электронной оболочки.
4. Процессы при намагничивании ферромагнетиков
4.1. Магнитная анизотропия.
В монокристаллах ферромагнитных веществ существуют направления легкого и трудного намагничивания. Число таких направлений определяется симметрией кристаллической решетки. В отсутствие внешнего поля магнитные моменты доменов самопроизвольно ориентируются вдоль одной из осей легкого
намагничивания. Отметим, что анизотропия магнитных свойств не связана с обменным взаимодействием. Обменная энергия не изменяется при одновременном повороте спиновых моментов на любой угол относительно кристаллографических осей.
На рисунке3 показаны направления легкого, среднего и трудного намагничивания в монокристаллахтрех основных ферромагнитных элементов: железа, никеля и кобальта.
Элементарная ячейка железа представляет собой объемно-центрированный куб. Направление легкого намагничивания совпадает с ребром
куба [100] (рисунок3, а). Следовательно, в монокристалле железа можно выделить шесть эквивалентных направлений легкого намагничивания. Направление пространственной диагонали куба [111] соответствует направлению трудного намагничивания. У никеля, имеющего структуру гранецентрированного куба, диагональ [111], наоборот, является направлением легкого намагничивания (рис. 3, б); симметрия решетки определяет восемь таких эквивалентных направлений. В то же время кобальт, кристаллизующийся в гексагональной структуре, имеет лишь два направления легкого намагничивания, совпадающих с осью призмы, т. е. магнитные моменты доменов в отсутствие внешнего поля могут быть ориентированы лишь в двух антипараллельных направлениях. Такие ферромагнетики называют материалами с одноосной магнитной анизотропией.
4.2. Кривая намагничивания. Зависимость магнитной индукции макрообъема ферромагнетика отнапряженности внешнего магнитного поля называют кривой намагничивания. Для получения кривых намагничивания в качестве исходного принимают размагниченное состояние образца, при котором в отсутствие внешнего поля индукция равна пулю, поскольку магнитные моменты доменов статистически равновероятно распределяются по всем возможным направлениям легкого намагничивания. На практике размагничивание ферромагнетика чаще всего осуществляют путем воздействия на него переменным магнитным полем, амплитуду напряженности которого постепенно уменьшают до нуля. Типичная кривая намагничивания поликристаллического ферромагнетика приведена на рисунке4.
Возрастание индукции под действием внешнего поля обусловлено двумя основными процессами: смещением
доменных границ и поворотом магнитных моментов доменов.
Рисунок 6.5 – Зависимость магнитной индукции В и магнитной проницаемости µ ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля.Начальному участку кривой (область I) соответствует обратимое упругое смещение доменных границ. При этом происходит увеличение объема тех доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля, и, наоборот, уменьшаются размеры доменов с неблагоприятной ориентацией вектора спонтанной намагниченности. После снятия слабого поля доменные границы возвращаются в прежнее положение; остаточная намагниченность в образце не возникает. В области более сильных полей (область II) смещение доменных границ носит необратимый, скачкообразный характер. Ступенчатый характер процесса намагничивания получил название эффекта Баркгаузена. На участке необратимого смещения доменных границ кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну. По мере дальнейшего увеличения напряженности магнитного поля возрастает роль второго механизма намагничивания – механизма вращения, при котором магнитные моменты доменов из направления легкого намагничивания, образующего небольшой угол с полем постепенно поворачиваются в направлении поля, т. е. в
направлении более трудного намагничивания (область III). Когда все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает техническое насыщение
намагниченности (область IV). Незначительное возрастание индукции на участке насыщения обусловлено
слагаемым µ 0 H и увеличением намагниченности самого домена. Последнее получило название парапроцесса, или истинного намагничивания. Дело в том, что строго параллельное расположение спиновых моментов в
домене, вызываемое обменными силами, имеет место лишь при низких температурах, близких к абсолютному нулю. При повышении температуры за счет тепловой энергии упорядоченность в расположении спинов несколько нарушается. Однако внешнее поле подавляет дезориентирующее влияние теплового движения и возвращает «неправильно» ориентированные спины к параллельной ориентации. Этим достигается эффект приращения намагниченности. Роль парапроцесса возрастает с повышением температуры.
В отличие от истинного намагничивания, возрастание индукции за счет процессов смещения доменных границ и вращения магнитных моментов часто называют техническим намагничиванием ферромагнетика.
4.3. Магнитный гистерезис.
Если ферромагнетик намагнитить до насыщения В s , а затем отключить внешнее поле, то индукция в
нуль не обратится, а примет некоторое значение В r , называемое остаточной индукцией (рисунок5).
Рисунок5 – Петли гистерезиса при разных значениях амплитуды переменного магнитного поля и основная кривая намагничивания ферромагнетика. Чтобы убрать остаточную индукцию, необходимо приложить магнитное поле противоположного направления. Напряженность размагничивающего поля – Н с , при которой индукция в ферромагнетике,
предварительно намагниченном до насыщения, обращается в нуль, называют коэрцитивной силой. Увеличение напряженности поля до значений, больших – Н с , вызывает перемагничивание ферромагнетика вплоть до насыщения (–В s ). Изменение магнитного состояния ферромагнетика при его циклическом перемагничивании характеризуется явлением гистерезиса, т. е. отставание индукции от напряженности ноля. Магнитный гистерезис обусловлен необратимыми процессами намагничивания. Для разных амплитудных значений
напряженности внешнего поля можно получить семейство петель гистерезиса. Петлю гистерезиса, полученную при индукции насыщения, называют предельной. При дальнейшем возрастании поля площадь гистерезисной петли остается неизменной. Совокупность вершин петель гистерезиса образует основную кривую намагничивания ферромагнетика. Из кривой намагничивания ферромагнетика легко построить зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля. Магнитную проницаемость, определяемую по формуле µ=В/(µ 0 Н), называют статической магнитной проницаемостью. Она пропорциональна тангенсу угла наклона секущей, проведенной из начала координат через соответствующую точку на основной кривой намагничивания.
Зависимость µ(H) показана на рисунке 6.5. Восходящий участок этой кривой обусловлен значительными изменениями намагниченности при небольшом увеличении Н за счет необратимых процессов технического намагничивания ферромагнетика. Дальнейшее уменьшение µ в области сильных магнитных полей объясняют техническим насыщением намагниченности.
Предельное значение магнитной проницаемости при напряженности магнитного поля, стремящейся к нулю, называют начальной магнитной проницаемостью. Эта характеристика имеет значение при техническом использовании многих магнитных материалов. Экспериментально ее определяют в слабых полях с напряженностью порядка 0,1 А/м. В области обратимого намагничивания ферромагнетика для магнитной проницаемости выполняется
эмпирическая формула Релея:
µ = µ H + βH, (6.6)
где β – постоянная, зависящая от природы материала.
Крутизну отдельных участков кривой намагничивания и ветвей петли гистерезиса характеризуют
дифференциальной магнитной проницаемостью µ диф = (1/µ 0 )(dB/dH). В одном и том же образце максимальное
значение дифференциальной проницаемости всегда превышает максимальное значение статической
проницаемости.
4.4. Магнитострикция.
Изменение магнитного состояния ферромагнитного образца сопровождается изменением его линейных размеров и формы; это явление называют магнитострикцией. Различают линейную и спонтанную магнитострикцию. Спонтанная магнитострикция возникает при переходе вещества из парамагнитного в ферромагнитное состояние в процессе охлаждения до температуры ниже точки Кюри.
Линейная (индуцированная) магнитострикция связана с искажениями кристаллической решетки под действием внешнего поля. Линейную магнитострикцию оценивают значением относительной деформации образца в направлении магнитного поля: λ=Δl/l. Численное значение коэффициента магнитострикции зависит от типа структуры, кристаллографического направления, напряженности магнитного поля и температуры. При этом линейная магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной, т. е. размеры образца в направлении поля при намагничивании могут, как увеличиваться, так и уменьшаться.Изменение размеров ферромагнетика при намагничивании сопровождается появлением в нем внутренних напряжений и деформаций, которые препятствуют смещению доменных границ. Таким образом, магнитострикция, как и кристаллографическая анизотропия, затрудняет процесс намагничивания ферромагнетика в слабых полях. Поэтому высокой магнитной проницаемостью обладают те магнитные материалы, у которых малы константы анизотропии и магнитострикции.
5. Поведение ферромагнетиков в переменных магнитных полях
Перемагничивание ферромагнетиков в переменных полях сопровождается потерями энергии, вызывающими нагрев материала. В общем случае потери на перемагничивание складываются из потерь на гистерезис, на вихревые токи и последействие. Вкладом потерь на последействие в разогрев ферромагнетика обычно можно принебречь.
Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, отнесенные к единице объема вещества, определяются площадью статической петли гистерезиса полученной при медленном изменении магнитного потока.
.
Для вычисления потерь можно использовать эмпирическую формулу
Эг=Bmn ,
где - коэффициент зависящий от свойств материала;
Bm - максимальная индукция достигаемая в данном цикле;
n = 1.6 - 2 - в зависимости от Вm.
Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания.
Для практических целей более важна активная мощность, выделяющаяся в ферромагнетике при его перемагничивании.
Мощность, обусловленная потерями на гистерезис, определяется как:
Pг = Вmn f V,
где V - объем образца; f - частота перемагничивания.
В слабых полях и на высоких частотах динамическая петля гистерезиса вследствие отставания индукции от напряженности поля имеет форму эллипса. Угол отставания называют углом магнитных потерь. Тангенс угла магнитных потерь можно определить из эквивалентной схемы.
tg = r/(L),
где L - индуктивность катушки с сердечником из ферромагнетика;
r - сопротивление, эквивалентное всем видам потерь на перемагничивание.
С учетом этого активная мощность потерь рассчитывается по формуле
Pa = I2 L tg .
Величину, обратную tg, называют добротностью сердечника
Qc = 1/ tg .
Вихревые токи возникают в проводящей среде за счет э.д.с. самоиндукции. Динамическая петля гистерезиса шире статистической поскольку к потерям на гистерезис добавляются потери на вихревые токи, которые увеличиваются пропорционально частоте.
Мощность, обусловленная потерями на вихревые токи, определяется эмпирической формулой
Pт = f2Bm2 V
где - коэффициент, пропорциональный удельной проводимости материала и зависящий от геометрической формы и площади поперечного сечения намагничиваемого образца.
Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо использовать магнитный материал с повышенным удельным сопротивлением, либо собирать сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга. Удельная мощность, расходуемая на вихревые токи, связана с толщиной листа h соотношением:
pт = Pт/Vd = 1.64 h2 f2 Bm2/d, Вт/кг,
где - удельная проводимость; d - плотность материала.
Вихревые токи оказывают размагничивающее действие на сердечник - уменьшается индукция и эффективная магнитная проницательность. Переменный магнитный поток неравномерно распределен по сечению магнитопровода.
Изменение величины магнитной индукции по сечению сердечника вдоль нормали z к его поверхности описывается уравнением
Bm = Bm0 exp(- z/
где Вm0 - магнитная индукция на поверхности сердечника;
= (1/( f 0 1/2 - глубина проникновения поля в вещество.
Магнитная индукция имеет наименьшее значение в центральных частях сечения.
Явление затухания электромагнитной волны при ее распространении в проводящей среде используется при создании электромагнитных экранов. Для эффективной защиты толщина стенок экрана должна превышать глубину проникновения электрического поля в вещество.
Потери на магнитное последействие обусловлены отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Время установления стабильного магнитного состояния от долей миллисекунды до нескольких минут и существенно возрастает с понижением температуры. Физическая природа потерь на магнитное последействие во многом аналогична релаксационной поляризации диэлектриков.
6. ОСОБЕННОСТИ ФЕРРИМАГНЕТИКОВ
Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения оксида железа Fе 2 О 3 с оксидами других металлов. В настоящее время используют сотни разных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свойствам. От парамагнетиков ферриты отличаются нелинейными магнитными свойствами и высокой магнитной восприимчивостью, являющимися следствием их доменного строения, а по сравнению с ферромагнетиками ферриты имеют существенно меньшую индукцию насыщения.
Теоретическое объяснение особенностей магнитных свойств ферритов впервые было дано Л. Неелем. В соответствии с предложенной им теорией ферримагнетизма, в оксидных магнетиках решающую роль играет косвенное обменное взаимодействие, осуществляемое при участии кислородных ионов. Механизм косвенного обменного взаимодействия поясняет рисунок 6.8, а. Внешняя 2р-оболочка кислородного аниона О 2- полностью заполнена электронами, причем спиновые моменты попарно скомпенсированы. В то же время незаполненные 3d-оболочки катионов никеля и железа имеют соответственно два или пять нескомпенсированных спинов. Предполагается, что в кристаллической решетке оксидного магнетика диамагнитный ион кислорода может возбуждаться и отдавать один из своих валентных электронов
катиону, например, катиону никеля. Принцип Паули требует, чтобы спин переходящего электрона был антипараллелен магнитному моменту катиона. Отдавая электрон, кислородный анион приобретает магнитный момент и участвует в обменном взаимодействии с другим соседним катионом, в данном случае – с катионом железа. Благодаря сильному перекрытию электронных оболочек это обменное взаимодействие носит антиферромагнитный характер. Конечным результатом такого сложного электронного процесса является антипараллельная ориентация магнитных моментов взаимодействующих катионов.
Рисунок 5 – Схема косвенного обменного взаимодействия в феррите никеля: а – расположение спинов в наружных оболочках взаимодействующих ионов; б – перекрытие электронных оболочек ионов.
Энергия косвенного обменного взаимодействия зависит от расстояния между ионами и их пространственной координации. Обменное взаимодействие максимально, если три взаимодействующих иона находятся на одной прямой (рисунок 5 , б). Наоборот, обменное взаимодействие будет наиболее слабым, если ионы находятся в прямоугольной координации друг к другу. Такой эффект объясняют направленностью в распределении пространственной плотности электронного заряда ионов кислорода, имеющей вид вытянутых р -орбиталей (т. е. гантелевидную форму).
7. Магнитный принцип записи и считывания информации.
В основу записи, хранения и считывания информации положены два физических принципа, магнитный и оптический. При считывании информации при движении магнитной головки над поверхностью носителя намагниченные участки носителя вызывают в ней импульсы тока (явление электромагнитной индукции). Для осуществления записи информации применяются магнитные носители. Магнитный носитель состоит из основы, изготовленной из немагнитного материала, на которую наносится магнитный слой. Этот слой служит для накопления и сохранения информации и называется рабочим слоем. В качестве носителя магнитной записи используют магнитные ленты, жесткие и гибкие магнитные диски. Материал основы магнитных носителей должен обладать вполне определенными физико-механическими свойствами. Так, у магнитной ленты основа должна иметь высокую прочность на растяжение, хорошую износостойкость, гладкую поверхность, равномерную толщину, быть эластичной. Основным материалом для изготовления основы лент и гибких дисков является полиэтилентерефталат (лавсан) [3]. Материалом основы жестких дисков является алюминиевый сплав. Он должен быть пригоден для полировки, обладать высокой твердостью и износостойкостью, в нем не должны образовываться микротрещины в процессе его обработки [3]. В качестве запоминающей (регистрирующей) среды в магнитных носителях используются ферролаковые рабочие слои. Ферролаковый слой готовят путем введения в состав лака магнитного порошка, который представляет собой систему, состоящую из микрочастиц размером менее микрона. Частицы должны быть максимально однородными. Магнитные поля, в которых перемагничиваются частицы, должны иметь близкие значения. Поверхность частиц должна быть идеально гладкой. Наличие на поверхности частиц различных неровностей, дефектов приводит к снижению их магнитной однородности [4].
В магнитных носителях применяют магнитные порошки с частицами, которые представляют собой в основном однодоменные образования. Коэрцитивная сила порошка должна быть достаточно большой. Кроме того, магнитные порошки должны обладать высокими значениями намагниченности насыщения. Частицы порошка могут иметь разную форму: игольчатую, сферическую и пластинчатую. В настоящее время предпочтение отдают порошкам, имеющим частицы игольчатой формы [4].
В носителях магнитной записи применяют следующие основные разновидности магнитных порошков: порошки гамма-оксида железа g-Fe2O3 ; гамма-оксида железа, модифицированного кобальтом, g-Fe2O3 + Со, диоксида хрома CrO2 и металлические магнитные порошки железа и его сплавов [4].
При изготовлении магнитной ленты на гибкую движущуюся основу наносится тонкий слой магнитного лака. После сушки широкая основа подвергается резке на ленты стандартной ширины.
Роль магнитной среды для записи информации могут также выполнять сплошные металлические слои - пленки, которые наносятся на немагнитную полимерную основу термическим испарением сплавов металла в вакууме. Порошковые рабочие слои имеют толщину от 1 до 10-20 мкм. Толщина металлических слоев порядка 0,1 мкм [4].
При изготовлении гибких дисков, как и в магнитных лентах, в качестве рабочего слоя используют магнитные порошки, введенные в немагнитное связывающее вещество, а также сплошные металлические слои. В порошковом слое активный материал - порошок занимает 35-40% объема рабочего слоя, остальное приходится на связывающую немагнитную среду. В сплошном металлическом слое эта немагнитная среда отсутствует. Поэтому намагниченность насыщения такого слоя существенно выше, чем у порошкового, и он может быть значительно тоньше, чем у лент с ферролаковым слоем при одинаковом значении сигнала воспроизведения. В итоге лента с металлическим слоем обладает большей информационной емкостью на единицу объема.
ПРИНЦИП МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ
Система магнитной записи состоит из носителя записи и взаимодействующих с ним магнитных головок. На рис. 4 показаны носитель и головка записи кольцевого типа. Головка состоит из сердечника с обмоткой. В сердечнике имеется зазор шириной 0,1-10 мкм. При включении в обмотку тока записи (входной сигнал) в области зазора возникает магнитное поле рассеяния (поле записи), которое воздействует на прилегающую к головке область рабочего слоя движущегося магнитного носителя, например магнитной ленты [4].
В цифровой магнитной записи, используемой в компьютерной технике, в магнитную головку поступает ток, при котором поле записи через определенные промежутки времени изменяет свое направление на противоположное. В результате под действием поля рассеяния магнитной головки происходят намагничивание и перемагничивание отдельных участков движущегося магнитного носителя. При периодическом изменении направления поля записи в рабочем слое носителя возникает цепочка чередующихся участков с противоположным направлением намагниченности, которые соприкасаются друг с другом одноименными полюсами. В итоге сигнал, поступающий в головку записи, оставляет на движущемся носителе след, то есть магнитную запись. Рассмотренный вид записи, когда участки рабочего слоя носителя перемагничиваются вдоль его движения, называется продольной записью. Носители магнитной записи с продольным намагничиванием - магнитные ленты, жесткие и гибкие магнитные диски - составляют основную массу используемых в мире накопителей информации. Они играют важнейшую роль в современной науке, технике и промышленности, являясь одним из функциональных элементов вычислительной техники
Чередующиеся участки, возникшие в металлизированном рабочем слое (пленке), являются доменами. Чем меньше размер домена, тем выше плотность записи информации. Однако с уменьшением размера доменов возрастает величина их размагничивающих полей, направленных в сторону, противоположную намагниченности в доменах. Эти поля способствуют их перемагничиванию. В результате смещение доменных границ одиночных доменов происходит в полях Нсм , меньших по величине коэрцитивной силы Нс . С уменьшением длины домена разница между Нсм и Нс увеличивается. Понижается устойчивость домена к внешним полям. Из сказанного следует, что домен можно уменьшать до некоторого минимального размера. При меньших размерах доменов размагничивающие поля становятся настолько значительными, что домен перемагничивается и исчезает. Происходит стирание информации. Минимальные размеры домена, то есть размеры, при которых он еще устойчив при отсутствии внешнего магнитного поля, зависят от параметров пленки, в частности большую роль играет коэрцитивная сила пленки. Увеличение Нс снижает влияние эффекта саморазмагничивания и повышает устойчивость домена к действию внешних магнитных полей. Поэтому с возрастанием величины Нс минимальные размеры доменов становятся меньше.
Размер стабильного домена также зависит от толщины пленок d. С понижением d ослабляются размагничивающие поля доменов и происходит уменьшение их минимальных размеров при прежних значениях Нс . Поскольку в металлических пленках отсутствует немагнитная связывающая среда, то, как было отмечено выше, металлизированный рабочий слой носителя может иметь меньшую толщину, чем ферролаковый. Поэтому в пленках можно реализовать перемагниченные участки меньшего размера, а следовательно, обеспечить большую информационную плотность записи. Из сказанного следует, что магнитные пленки являются перспективным материалом и обладают достоинствами, ценными при их использовании в технике магнитной записи.
Как мы уже отметили, после записи информации на магнитном носителе остаются участки, обладающие разным магнитным состоянием. При двоичном кодировании принято обозначать одно состояние цифрой 0, а другое - цифрой 1. Цифры 0 и 1 и соответствующие им участки носителя называются битами. Определенная последовательность из фиксированного количества нулей и единиц соответствует тому или иному символу, например: букве алфавита, цифре, знаку препинания и т.д.
Таким образом, создавая в рабочем слое носителя нужную очередность намагниченных и перемагниченных участков, можно осуществить запись информации.
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ
Для воспроизведения записанной информации применяются магнитные головки, которые называются воспроизводящими. Их устройство такое же, как и головок записи. В накопителях на магнитных дисках в основном используются универсальные головки, то есть устройства, с помощью которых осуществляются как запись, так и воспроизведение информации. Считывание информации происходит при движении магнитного носителя относительно головки воспроизведения. В этих условиях часть магнитного потока от участков носителя замыкается через сердечник магнитной головки. Во время движения носителя перед зазором головки проходят участки с противоположной ориентацией намагниченности. Поэтому магнитный поток в сердечнике периодически изменяется и в обмотке головки наводится ЭДС (выходной сигнал). Таким образом, статическое распределение намагниченности в магнитном слое носителя преобразуется в электрический сигнал.
МАГНИТНЫЕ ДИСКИ
В технике магнитной записи используются два вида магнитных дисков: жесткие и гибкие. Жесткий магнитный диск представляет собой круглую подложку толщиной около 1,5 мм, на обе стороны которой нанесен магнитный рабочий слой. Толщина ферролаковых рабочих слоев 1-3 мкм, сплошных металлических слоев - до 1 мкм. Информация на дисках записывается на дорожках, представляющих замкнутые концентрические окружности.
Накопители на магнитных дисках относятся к запоминающим устройствам с произвольной выборкой информации. Это значит, что для отыскивания и выборки заданной информации не требуется последовательно считывать всю предшествующую информацию, как это надо делать на магнитных лентах. В результате существенно уменьшается время доступа к содержащейся на дисках информации.
Особенно широкое применение в компьютерной технике получили гибкие магнитные диски (ГМД). Они используются для записи программ, обработки результатов, расчетов и различных измерений. Уже первое применение ГМД выявило их достоинства: простоту смены дисков, малые габариты, удобство обращения, хранения и транспортирования. Продольная плотность записи информации на современных гибких дисках с рабочим слоем, содержащим ферропорошок Со-g-Fe2O3 , около 400 бит/мм. В перспективе плотность записи на ГМД может быть доведена до 2000 бит/мм [3].
Если в 70-е годы в технике магнитной записи монопольное положение занимали носители магнитной записи с ферролаковым рабочим слоем, то сейчас создаются и осваиваются в промышленном производстве также магнитоносители с металлизированным рабочим слоем. Применение металлизированных дисков, работающих в паре с интегральными магнитными головками, позволило получить продольную плотность записи, равную 780 бит/мм. Идеальным материалом рабочего слоя для металлизированного диска представляется сплошная (беспористая) пленка ферромагнитного материала толщиной несколько десятков нанометров.
Использование магнитных дисков с металлизированным рабочим слоем в перспективе позволит многократно повысить информационную емкость дисковых магнитоносителей. Особенно повышается роль металлизированных слоев при использовании носителей с перпендикулярной записью информации, позволяющей существенно повысить плотность записи.
ТЕРМОМАГНИТНЫЙ МЕТОД ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ
Этот метод записи применяется на пленках, обладающих перпендикулярной анизотропией, то есть на образцах, у которых ось легкого намагничивания направлена перпендикулярно их поверхности. Он основан на использовании зависимости некоторых параметров пленки от ее температуры. Пленка предварительно намагничивается до насыщения по нормали к ее плоскости (исходное состояние). Затем к ней прикладывается магнитное поле Н противоположного Запись информации осуществляется путем нагрева отдельных участков пленки, которая находится в магнитном поле Н. Нагревание производится кратковременным воздействием лазерного луча. Поле Н подбирается с таким расчетом, чтобы при отсутствии нагрева пленки его величина была недостаточной для перемагничивания пленки. При достаточно высокой температуре участка пленки происходит существенное изменение его магнитного состояния, например может в 3-4 раза уменьшаться коэрцитивная сила. Это приводит к тому, что нагретые участки пленки будут перемагничиваться. Ненагретые области обладают более высокой коэрцитивной силой и не изменяют своего состояния. То есть при одновременном воздействии лазерного излучения и магнитного поля Н в рабочем слое носителя формируются области с намагниченностью, ориентированной противоположно направлению М пленки в исходном состоянии. Эти области и представляют собой записанную информацию.
Минимальные размеры области, соответствующей одному биту информации, определяются диаметром сфокусированного светового луча. Векторы намагниченности в перемагниченных участках направлены по нормали к плоскости пленки. Следовательно, разноименные полюсы перемагниченных участков расположены на противоположных сторонах рабочего слоя носителя. Поэтому магнитные поля от соседних неперемагниченных участков будут стабилизировать состояние перемагниченного участка. Это позволяет заметно уменьшить минимальные размеры стабильных доменов. В результате перпендикулярная запись обеспечивает в несколько раз более высокую плотность записи по сравнению с продольной. Следует отметить, что пленки с перпендикулярной анизотропией используются и в магнитной записи. Считывание информации осуществляется магнитооптическим методом или индукционным с помощью магнитных головок. При использовании магнитооптического метода считывания лазерный луч направляется на поверхность пленки. После отражения луч регистрируется фотоприемником. Благодаря специальному устройству, применяемому в данном случае, интенсивность отраженного луча, который попадает в фотоприемник, зависит от направления намагниченности в участках пленки. Это позволяет определить намагниченные и перемагниченные области магнитного носителя. В качестве рабочего слоя у магнитооптических носителей могут использоваться аморфные пленки, полученные из сплавов редкоземельных элементов (тербий, гадолиний, диспрозий) с переходными металлами (железо, кобальт).
Литература