Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Эффекты памяти наведённой магнитной анизотропии Ферримагнетиков 12
1.1. Объект исследований 12
1.2. Аппаратура и методика измерения частных петель гистерезиса намагниченности 14
1.3. Эффекты магнитной памяти НМА 1-го и 2-го родов . 21
1.4. Температурная память НМА 26
1.5. Зависимость параметров перетяжек на СДПГ от давления 30
1.6. Влияние давления на температурную память НМА 38
1.7. Выводы 41
Глава 2. Физико-математическая модель эффектов наведенной магнитной анизотропиии и влияния на неё механического давления 42
2.1. Основы физико-математической модели НМА 42
2.2. Расчет перетянутых петель гистерезиса 45
2.3. Моделирование перетянутых петель гистерезиса и оценка параметров модели 50
2.4. Большие скачки Баркгаузена в ферримагнитных материалах 62
2.5. Моделирование влияния давления на параметры перетяжки 67
2.6. Моделирование влияния температуры на параметры перетяжки 81
2.7. Выводы 88
Глава 3 Моделирование наведений магнитной анизотропии на диаграмме прейзаха 89
3.1. Диаграмма Прейзаха и основные принципы моделирования на ней НМА 89
3.2. Обобщенная диаграмма Прейзаха ферримагнитных образцов, обладающих НМА различных видов 100
3.3. Отображение на диаграмме Прейзаха влияния на НМА давления 102
3.4. Отображение на диаграмме Прейзаха влияния на НМА температуры ее создания 111
3.5. Выводы 114
Глава 4 Аппаратно-программный комплекс для изучения эффектов НМА 115
4.1. Аппаратный комплекс для исследования НМА 115
4.2. Программная поддержка комплекса и экспериментов . 123
4.3. Методика подготовки образца для исследований и измерение сигналов 129
4.4. Интерпретация результатов 135
4.5. Выводы 140
Заключение 141
Литература 143
- Аппаратура и методика измерения частных петель гистерезиса намагниченности
- Моделирование перетянутых петель гистерезиса и оценка параметров модели
- Обобщенная диаграмма Прейзаха ферримагнитных образцов, обладающих НМА различных видов
- Методика подготовки образца для исследований и измерение сигналов
Введение к работе
Среди различных разделов геофизики, существует раздел, называемый палеомагнетизмом. В палеомагнетизме изучают историю магнитного поля Земли по естественной (природной) остаточной намагниченности горных пород. По своим основам палеомагнетизм относится к физическим дисциплинам, а точнее к ферримагнетизму. Горные породы получают и сохраняют намагниченность постольку, поскольку практически каждая порода содержит в своем составе некоторое количество - пусть самое минимальное - зерен различных ферримагнетиков. Наибольшее распространение в породах имеют магнетит и титаномагнетиты.
Одними из основных предпосылок применения палеомагнитных методов для решения ряда геофизических задач служат следующие положения:
Ферримагнетики, содержащиеся в породах, при своем формировании намагничиваются по направлению того локального земного поля, которое существовало на Земле в эпоху образования этих пород.
Полученная породой в процессе формирования остаточная намагниченность является консервативным параметром и может сохраняться в течение миллионов лет, позволяя определять склонение, наклонение и напряженность магнитного поля в эпоху образования породы.
В частности, с помощью методов палеомагнетизма было установлено:
Геомагнитное поле изменяется с течением времени. Эти изменения охватывают геологические эры и связаны с перемещением геомагнитных полюсов.
На фоне медленных направленных изменений геомагнитного поля через определенные промежутки времени (разные для разных эпох - от полумиллиона до десятков миллионов лет) происходят инверсии магнитного поля Земли. Магнитные полюса при этом меняются местами. Меняются местами именно магнитные полюса, но не географические.
Данные палеомагнетизма показали, что земной магнетизм связан с вращением Земли и определили тем самым выбор гипотезы о механизме возникновения геомагнитного поля и развитие теории гидромагнитного динамо.
Исследования палеомагнетизма подтвердили теорию дрейфа континентов и позволили реконструировать контуры древних праматериков.
Палеомагнитные методы в первую очередь включают в себя методы определения напряженности (палеонапряженности) и направления древнего магнитного поля Земли (Ндр). Большинство из этих методов подразумевает нагрев и охлаждение образцов горных пород в магнитном поле лаборатории и сравнение природной и лабораторной намагниченностей образцов. При этом каждому методу присущи как достоинства, так и недостатки. Естественно, что ведутся разработки новых способов определения Ндр. Для этого исследуются физические свойства пород и синтетических ферримагнетиков, ведется поиск новых эффектов магнитной памяти. Это служит дополнительным стимулятором для исследования в области магнетизма горных пород как экспериментальных, так и теоретических. В силу многообразия физических свойств пород на них иногда обнаруживаются новые явления, не известные в физике ферримагнетиков и технике ферритов.
В 1975 г. сотрудниками Научно - Исследовательского Института Физики Санкт-Петербургского государственного университета (НИИФ С.-ПбГУ) В.А. Шашкановым и В.В. Металловой была опубликована статья [74], в которой описан новый способ определения напряженности Ндр. В основу этого метода было положено открытое авторами явление, наблюдавшееся на многих горных породах. Как известно, величины идеальной (Irj) и идеальной парциальной (іфі) намагниченностей при создании их в некотором переменном магнитном поле (h) прямо пропорциональны величине постоянного намагничивающего поля (Н) (при малых напряженностях Н). Идеальная (или, как говорят в технических науках, безгистерезисная ) намагниченность создается следующим образом: на образец магнетика действует постоянное магнитное поле (как правило от долей эрстеда до нескольких эрстед) и одновременно образец подвергается воздействию переменного магнитного поля, амплитуда которого меняется от некоторого значения (от первых сотен или тысяч эрстед) до нуля. Если начальная амплитуда h равна или превышает поле насыщения (Hs) данного ферримагнетика, то говорят о полной идеальной намагниченности. Если же амплитуда переменного поля меньше Hs, то в образце возникает парциальная Irpi. Свойство линейности функций Iri = f(H) и Іфі = f(H) выполняется во всех горных породах и синтетических ферримагнетиках, независимо от вида ферримагнетика в интервале постоянных магнитных полей начиная с нуля и кончая полями, по крайней мере в несколько раз превышающими геомагнитное. Во многих термонамагниченных породах, как показали В.А. Шашканов и В.В. Металлова, происходит нарушение линейности зависимостей 1Г, = f(H) и Irpi = f(H). Причём нарушения линейности этих функций наблюдаются в области полей Н, близких по величине полю, в котором происходило термонамагничивание (полю Нт). Этот эффект назван "эффектом нелинейности Іфі = f(H)". В работе [75] была выдвинута гипотеза о том, что эффект нелинейности обусловлен теми же причинами, что приводят к появлению перетянутых частных петель гистерезиса намагниченности ферримагнетиков (перминвар- эффект [42]). Перминвар-эффект вызывается диффузионной стабилизацией некоторой части доменных границ ферримагнетика и возникновением вследствие этого "гигантских" потенциальных барьеров на пути движения границ, т.е. возникновением так называемой наведённой магнитной анизотропии (НМА) [42].
Как известно, различные виды намагниченностей могут быть промоделированы с помощью диаграммы Прейзаха [5]. С точки зрения диаграммы Прейзаха эффект нелинейности Irpi = f(H) термонамагниченной горной породы проинтерпретирован в [75] как результат перераспределения плотности неелевских циклов. Местоположение области диаграммы, в которой произошло это перераспределение, однозначно связано с напряжённостью Нт магнитного поля, действовавшего при термонамагничивании. Рассматривая причины перестройки циклов, авторы работы [76] высказали предположение, что в породах с многодоменными частицами ферримагнетиков при термонамагничивании эти перестройки обусловлены диффузионной стабилизацией доменных границ. Подобная стабилизация приводит к изменению плотности циклов на диаграмме и отображается в виде предполагаемой области. Макроскопически эта стабилизация должна проявиться в соответствующем изменении вида кривых Іфі = f(H), а также в появлении перетяжек на частных петлях гистерезиса намагниченности образца.
Перетянутые петли гистерезиса впервые наблюдались Эльмином (1928 г.) на сплавах никеля и кобальта; на ферритах состава Fe3_xCox04 их наблюдали Като и Такеи (1933 г.). Теоретическое обоснование перминвар- эффекта появилось в пятидесятых годах в работах Нееля (1954), Танигучи (1954, 1955)и др. [42]. На горных породах первым наблюдал перетянутые петли гистерезиса Радхакришнамурти (1969 г.) [105]. Затем перетянутые петли наблюдались на магнетите, титаномагнетитах, марганец- цинковых ферритах и т.п. Большой вклад в рассмотрение вопросов диффузионной стабилизации внес Ю.Д. Тропин [65, 66]. В частности он наблюдал перетянутые петли гистерезиса на монокристаллах магнетита при низких температурах [66]. Перетянутая в районе нулевого магнитного поля частная петля гистерезиса указывает на понижение начальной магнитной восприимчивости (дезаккомодацию 2ЄН). По вопросам так или иначе связанных с дезаккомодации магнитной восприимчивости или проницаемости опубликовано так много теоретических и экспериментальных работ, что даже их простое перечисление не представляется возможным. В конце диссертации приведены ссылки лишь на некоторые из них [10, 11, 32, 40, 42, 62, 63, 64, 67, 71, 79, 80, 87, 88, 89, 100, 104].
Перетянутая в нулевом магнитном поле частная петля гистерезиса приведена на рис. 1а. Как показали эксперименты [16], в результате термонамагничивания образца ферримагнетика в магнитном поле Нт (т. е. в результате его охлаждения от некоторой температуры в поле Нт) перетяжка на частной петле магнитного гистерезиса может наблюдаться в районе магнитных полей, близких по напряжённости полю термообработки. Схематично подобная петля гистерезиса показана на рис.16. Физические процессы, вызывающие появление перетяжки, несущей информацию о поле термообработки, во многом подобны процессам, приводящим к обычной перетяжке в нулевом поле.
Исследования показали [13, 21] также, что после термонамагничивания горной породы в постоянном магнитном поле возможно возникновение асимметричных петель гистерезиса не обладающих перетяжкой. Схематично подобная петля показана на рис. 1в.
Магнитная структура ферримагнетика, сложившаяся в результате его термообработки в магнитном поле, может обеспечить сохранность информации о температуре обработки. Если образец был нагрет до некоторой температуры Тх, меньшей, чем температура Кюри (Тс) его ферримагнитной компоненты, а затем охлаждён в магнитном поле до комнатной температуры (Тк), то его частная петля гистерезиса может быть либо чисто асимметричной (без перетяжек), либо асимметричной перетянутой. При последующем нагреве перетяжка и асимметрия сохраняются только до температуры Тх и исчезают при более высоких температурах (рис.1 штриховые линии).
Как уже говорилось, перетянутые петли гистерезиса вызваны возникновением в ферримагнетике так называемой наведённой магнитной анизотропии. Асимметричные же петли гистерезиса связаны с остаточной намагниченностью [20]. Температурная память обоих эффектов обусловлена диффузионной стабилизацией доменных границ. Кроме того, оба эффекта анизотропны, наиболее ярко они наблюдаются при измерении петель гистерезиса вдоль направления создавшего их поля. В работе [22] показана тесная связь между этими эффектами. Там же показано, что термин "наведённая магнитная анизотропия" (НМА) применим и к состоянию ферримагнетика, вызывающему появление асимметричных петель гистерезиса. Этот термин (НМА) относится к определённому магнитному порядку, созданному в горной породе или искусственном ферримагнетике в результате термомагнитной обработки, т.е. НМА связана с созданием в ферримагнетике при термомагнитной обработке
Рис.1. Перетянутые в нулевом магнитном поле (а), поле термообработки (б) и асимметричные (в) частные петли магнитного гистерезиса. Сплошной линией показаны петли при температуре Т<Тх, пунктиром - при Т>ТХ, где Тх -температура термообработки. Эффекты бив показаны схематически, реальные эффекты на один-два порядка меньше. неоднородного пространственного распределения и заполнения магнитных фаз -магнитной текстуры.
Однако многие проблемы, связанные с возникновением и проявлением наведённой магнитной анизотропии в горных породах и ферримагнетиках, остаются нерешёнными. Так, например, в настоящее время нет физико-математической модели НМА, учитывающей влияние на нее давления. . Не ясны также многие аспекты влияния на эффекты НМА давления. Да и сами новые эффекты магнитной памяти исследованы далеко не до конца.
Цель данной работы состояла в следующем:
Провести теоретически и экспериментальные исследования эффектов магнитной памяти НМА горных пород и ферримагнитных материалов и влияния на них механического давления.
Построить физико-математическую модель влияния давления на НМА горных пород и ферримагнитных материалов.
3. Разработать принципы компьютерного анализа НМА. На защиту выносятся следующие положения:
Физико-математическая модель влияния механического давления на НМА.
Принцип построения моделей влияния давления и температуры на эффекты наведенной магнитной анизотропии с помощью диаграммы Прейзаха.
Компьютерный программно-аппаратный комплекс для анализа НМА горных пород и ферримагнетиков.
Новый эффект, который заключается в том, что с ростом давления НМА фиксирует не температуру своего создания, а все более низкую температуру.
Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийских семинарах по геомагнетизму (геофизическая обсерватория "Борок" Объединенного Института Физики Земли РАН, 1997, 1999), на семинаре Санкт-
Петербургского государственного университета (СПбГУ), каф. физики Земли 1997, на международной конференции "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербургский университет, 1996), на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные проблемы естествознания" (Ярославль, ЯрГУ, 1997), на семинарах Института геофизики Словацкой Академии Наук (Братислава, Словакия, 1999).
Автор благодарит B.C. Вечфинского за руководство работой, А.Н. Ершова за помощь в проведении экспериментов, В. А. Цельмовича (геофизическая обсерватория "Борок" ОИФЗ РАН) за предоставление образцов пород и синтетических ферримагнетиков и их анализ на электронно-зондовом микроанализаторе "Camebax", а также А.К. Крикова и Б.Б. Малкова за помощь в наладке аппаратуры.
Аппаратура и методика измерения частных петель гистерезиса намагниченности
Для измерения перетянутых и асимметричных частных петель гистерезиса (ЧПГ) намагниченности использовалась установка, блок-схема которой представлена на рис.2. Измерение ЧПГ проводилось следующим образом. В соленоиде L3 при помощи генератора I задавалось переменное синусоидальное магнитное поле частотой 1 Кгц (амплитуду этого поля можно было изменять в пределах от 0 до 50 Э). Внутри соленоида располагался датчик L1-L2, состоящий из двух идентичных измерительных обмоток, включенных встречно. Датчик можно было перемещать внутри соленоида вдоль его оси.
При отсутствии образца внутри датчика ЭДС, наводимые в измерительных обмотках, равны. Так как обмотки включены встречно, то сигнал на выходе датчика отсутствует. При внесении образца в одну из обмоток датчика на выходе возникал сигнал разбаланса (ЭДС), пропорциональный производной по времени от намагниченности образца. Усиленная в усилителе II ЭДС подавалась на вход фильтров, настроенных на 1-ю и 2-ю гармоники сигнала. С помощью усилителя можно было регулировать чувствительность измерения ЭДС, образующую в данном случае частную дифференциальную петлю гистерезиса образца (ДПГ). Наличие фильтров для подавления 1 -ой и 2-ой гармоник сигнала объясняется следующим образом.
Согласно закону намагничивания Рэлея, который справедлив для полей, малых по сравнению с коэрцитивной силой, уравнение для петли гистерезиса имеет вид: где as - обратимая восприимчивость, b - постоянная Рэлея, Нм -максимальное магнитное поле гистерезисного цикла. Если ввести в выражение (1) еще один член, пропорциональный Н3, аналогичный тому который рассматривается в теории феррозондов [2], то получим выражение для намагничивания по гистерезисному циклу в виде полинома третьей степени: где С - постоянная, зависящая от материала и структуры образца (размерность в гауссовой системе - 1/Э ). Знак "+" соответствует восходящей ветви петли гистерезиса,"-" - нисходящей.
Если ввести в одну из обмоток датчика (например, в L1), находящегося в переменном поле соленоида, образец с ферримагнетиком, то намагниченность его в произвольный момент времени равна: Здесь hi - амплитуда переменного магнитного поля в L1, со - его частота, t -время. ЭДС, возникающие в измерительных обмотках L1 и L2, равны: где В1 и В2 - индукция в L1 и L2, п - число витков обмотки, S - площадь витка, с - скорость света.
Так как магнитное поле вдоль оси соленоида не идеально однородно и амплитуды переменных полей, действующих на L1 и L2, разные, можно записать: где h2 - амплитуда переменного поля в L2.Подставляя (3) в (4) и дифференцируя, получим:
Перемещая датчик вдоль оси соленоида, можно добиться такого соотношения полей її! и h2, что первая гармоника ЭДС, возникающая в его обмотках (т.е. nSa h cos(cot)) частично скомпенсируется. Таким образом, можно избавиться от обратимой части намагниченности, которая не несет сведений об НМА, и лишь перегружает измерительный канал и измерять так называемые скомпенсированные петли гистерезиса (СДПГ). Наличие фильтров в устройстве сопряжения позволяет более полно подавить 1-ую и 2-ую гармоники ЭДС, что дает возможность выделить сигнал, несущий информацию о НМА с лучшим соотношением сигнал/шум. Тем самым оцифровке подвергается сигнал действительно необходимого диапазона амплитуд и анализируется лишь та часть намагниченности, которая обусловлена нелинейными процессами, происходящими в ферримагнетике при его намагничивании.
Данная установка отличается от описанных в [16, 19] по многим параметрам. В том числе она, обладая большим изменением чувствительности к сигналу (адаптируется к амплитуде входного сигнала), позволяет автоматизировать процесс измерения и анализа результатов. И что самое важное, позволяет наблюдать мало стабильные (короткоживущие) перетяжки и изменение их во времени, т.е. позволяет измерять с более высоким разрешением по амплитуде, времени и температуре. Переменное поле задается кварцевым генератором, что дает большую "чистоту" и стабильность гармоник ЭДС, образующих собственно СДПГ. Наличие фильтра, подавляющего 1-ю гармонику, делает необязательной строгую компенсацию этой гармоники с помощью постоянного перемещения датчика, что особенно существенно при изменении магнитных параметров образца (фазы ЭДС относительно воздействующего переменного поля) вследствие изменения его температуры при автономной работе комплекса. Фильтр, подавляющий 2-ю гармонику, встроен в установку для того, чтобы при необходимости сделать СДПГ более "пологой" и лучше выделить характеристики перетяжек в случае их небольшой интенсивности.
На рис.3 а,б представлены примеры перетянутых СДПГ, измеренные при компенсации 1-й (а) и 2-й (б) гармоник. На рис.3 в приведены обычные (не скомпенсированные) частные дифференциальные ( s ) и интегральные (I) петли гистерезиса намагниченности, полученные на тех же образцах. Как и говорилось (и это видно из рисунков) на обычных ЧПГ перетяжки не фиксируются. В то же время на скомпенсированных петлях гистерезиса перетяжки видны очень ярко.
Несколько слов надо сказать о методе обработки экспериментальных результатов. Первые измерения петель гистерезиса проводились на осциллографе, основные экспериментальные данные получены именно на нем. Компьютерные графики ЧПГ пока немногочисленны. Погрешности измерения СДПГ определялись в основном толщиной луча осциллографа и составляли не более 4-5%.
Моделирование перетянутых петель гистерезиса и оценка параметров модели
На рисунках 18, 19, 20 приведены примеры экспериментальных зависимостей ае = f(H), скомпенсированных интегральных и дифференциальных частных петель гистерезиса. Экспериментальная зависимость аз = f(H) взята из работы [8].
Рассмотрим как влияют на вид графиков аз = f(H) и дифференциальных петель гистерезиса коэффициенты Ki и К2, величины которых, как уже сказано, определяются энергией НМА и дисперсией в расположении "гигантских" барьеров.
В процессе моделирования эффектов НМА подбирались различные значения этих коэффициентов. Представление в данной диссертации множества всех графиков, рассчитанных при разных К\ и К2, не представляется возможным. Приведу основные результаты, ясно показывающие влияние данных коэффициентов на основные эффекты НМА. На рис.21 приведена теоретическая зависимость аз = f(H) при Ki = 0,5 и К2 = 20. На рис.22 показана эта же зависимость при том же К2 и увеличенном К! = 1,0. На рис.23 дан график при К! = 0,5 и К2 = 50. Очевидно, что чем больше коэффициент Кь тем ярче аномалия на графике ае = f(H). С ростом К2 эта аномалия растягивается вдоль направления действия магнитного поля.
На рисунках 24, 25, 26 показаны СДПГ, рассчитанные по формуле (9) при разных значениях К\ и К2. Видно, что с ростом Kj (то есть с ростом энергии НМА) увеличивается глубина перетяжки, ее площадь и немного увеличивается ее ширина. При увеличении К2 (то есть с ростом дисперсии в энергии НМА) перетяжка расплывается. Причем, что интересно, ее глубина становится меньше. Это значит, что увеличивается число "гигантских" барьеров и их разброс вдоль действия магнитного поля, но одновременно уменьшается высота этих барьеров. Этот вывод хорошо согласуется с предположениями об уменьшении энергий потенциальных барьеров при росте их числа, основанным на физических представлениях о природе перетяжек на петлях гистерезиса. [30].
На рис.27 приведена интегральная скомпенсированная петля гистерезиса (ИСПГ). Поскольку в экспериментальных исследованиях ИСПГ практически не измерялась (ввиду ее малой информативности), то ее график дан при одних значениях Ki и К2. Некоторая разница в виде экспериментальных и теоретических кривых обусловлена тем, что в формуле (6) нет члена, учитывающего асимметрию в энергии потенциальных барьеров слева и справа от точки Хт.
Проведенное на компьютере моделирование теоретических СДПГ показывает, что расчет эффектов НМА проведен на основе правильных предпосылок и хорошо отражает физику наведенной магнитной анизотропии. Причем надо заметить: что коэффициенты Ki и К2 имеют, видимо, еще больший физический смысл, чем было задумано первоначально и несут значительную информацию о НМА. Однако дальнейшее развитие данной теории - дело будущего.
Теоретические расчеты показывают, что наилучшее, совпадение вида перетянутых петель гистерезиса, рассчитанных по формуле (9), с экспериментальными СДПГ наблюдается обычно при К! «10 -=- 20 и о » (0,4 -=-0,8)НТ. В редких случаях очень сильных перетяжек Ki может достигать 40, а для многодоменных образцов магнетита, содержащих примесь ионов кобальта (менее 1% ионов Со ), даже больше.
Моделирование эффектов памяти НМА показывает, что потенциальные барьеры, вызывающие перетяжки на СДПГ, как правило не столь уж "гигантские" и обычно больше среднего уровня энергии доменных границ примерно в 10 ч- 20 раз. Только в редких случаях, при наличие в образце примесей, вызывающих сильную НМА (например, ионов кобальта) эти барьеры становятся по-настоящему гигантскими. Дисперсия в положении этих барьеров на пути движения ДГ довольно значительна. Учитывая "правило трех сигм", можно ожидать, что отдельные "гигантские" барьеры могут наблюдаться "на расстоянии" ± 2,4 НТ от точки Хт. Однако подобный разброс маловероятен и большинство ДГ сталкиваются с этими барьерами при значениях h -(0,5 -f-1) Нт.
В 1925-1933 годах ряд исследователей, экспериментировавших с образцами ферромагнитной проволоки, наблюдали на петлях гистерезиса участки скачкообразного изменения намагниченности. Величина этих скачков была очень большой и доходила до 1/10 от индукции насыщения. Образцами в этих исследованиях служили короткие проволоки из никелевых и пермалоевых сплавов, предварительно подвергнутых механическим напряжениям (растяжению, сжатию и др.), а также другим видам обработки (термической, магнитомеханической, термомеханической, термохимической и др.) [3]. Причиной подобных резких изменений намагниченности являлись действительно гигантские (без кавычек) скачки Баркгаузена (СБ).
Подобные большие скачки Баркгаузена лежат в основе возникновения перетянутых обычных (нескомпенсированных) частных петель магнитного гистерезиса.
Обычно частные перетянутые и асимметричные петли гистерезиса наблюдаются для образцов, подвергнутых магнитной термообработке и наблюдаются только при измерении скомпенсированных петель гистерезиса.
Однако есть случаи наблюдения действительно больших перетяжек на нескомпенсированных частных ПГ. Подобные петли наблюдались на образцах камчатской лавы (вулкан Мутновский), содержащих многодоменные зерна титаномагнетитов с низким содержанием титана и Тс =520-570 С. Перетяжки возникали при одних и тех же значениях магнитного поля независимо от магнитной предыстории образцов. То есть образцы могли быть предварительно размагниченны и ли обладать слабой намагниченностью любого вида. Материалы с гигантскими скачками Баркгаузенна и петлями гистерезиса подобными приведенной на рис.28 с недавних пор применяются в технике и технологии ферримагнитных материалов [3,4].
Обобщенная диаграмма Прейзаха ферримагнитных образцов, обладающих НМА различных видов
Коэффициенты ki и k2 в работах [21, 23] подбирались исходя из вида экспериментальных петель гистерезис. Параметры Р0, Ic , С0 определяются составом и внутренней структурой образца. Согласно [5] 1с - намагниченность насыщения микрогистерезисного цикла. При расчетах эти параметры принимались равными единице.
Функции Іфі = f(H) и є = f [h sin((Dt)], рассчитанные по формулам 26, 27 хорошо описывают экспериментальные результаты, но ( в отличие о формулы (9)) не позволяют оценивать энергетические параметры "гигантских" потенциальных барьеров и не полностью раскрывают физический смысл магнитной памяти НМА.
Обобщенная диаграмма Прейзаха ферримагнитных образцов, обладающих НМА различных видов
Ранее [24] была выведена формула для плотности микрогистерезисных циклов обобщенной диаграммы Прейзаха, т.е. такой диаграммы, на которой отображены все основные виды памяти НМА: магнитная память первого и второго родов, а также полоса с пониженной плотностью циклов вдоль главной диагонали, соответствующая перетяжке в нулевом поле. Плотность микрогистерезисных циклов обобщенной диаграммы Прейзаха для
Общий множитель Р0 (а, Ь) определяет плотность циклов многодоменных ферримагнитных зерен, содержащихся в образце. Р] (а, Ь) - выражает асимметрию в распределении циклов относительно линии а-Ь = 2НТ , возникающую в результате термонамагничивания (МП-2). Р2 (а, Ь) - определяет вид и положение перетяжки на частной петле гистерезиса, обусловленной МП-1. Р3(а, Ь) - описывает дезаккомодацию начальной магнитной восприимчивости в нулевом магнитном поле. Основное различие членов суммы (28) заключено в разных значениях параметров к1Х и к2х kiX - безразмерные коэффициенты, определяющие амплитуду изменения плотности циклов каждого типа НМА относительно Ро (a, b). к2х - имеют размерность магнитного поля и зависят от ширины областей диаграммы, связанных с конкретными типами НМА.
Согласно этой формуле была построена обобщенная трехмерная диаграмма Прейзаха (рис.50). Асимметрия и перетяжки наиболее ярко выражены на петлях гистерезиса ферримагнитных образцов, измеренных вдоль направления поля, создавшего наведённую магнитную анизотропию, и не видны на петлях, полученных в перпендикулярных направлениях. Это означает, что в перпендикулярном направлении Pi (a, b) = Р2 (a, b) = 0.
Рассмотрим обобщенную модель распределения градиента энергии плоской 180-градусной доменной границы в направлении перпендикулярном к плоскости границы (рис.5 la). Положение "гигантского" барьера (Хт), обуславливающего перетяжку, определяется напряжённостью поля Нт. Вдобавок к этому возникает общая асимметрия в распределении энергии доменной границы относительно точки Хт: слева потенциальные барьеры выше и круче, чем справа. Диффузионная стабилизация доменных границ в нулевом поле вызывает появление "гигантских" барьеров в точке Х=0. Коэффициенты kix определяются соотношением максимума в каждом типе распределения энергии со средним уровнем энергии доменной границы. k2i - зависит от линейных размеров области асимметрии в распределении энергий, кгг и к2з функционально связаны с абсолютным значением энергии потенциальных барьеров, возникших при диффузионной стабилизации границ. Они характеризуют величину стабилизирующего давления и возвращающей силы.
Модель Р(а, б), построенная по формуле (28), хорошо согласуется с экспериментальными данными по измерению частных петель гистерезиса. На рис.516 приведены СДПГ образца лавы Курильских островов, на которой есть эффекты перетяжки в поле Нт, в нулевом магнитном поле и существует общая асимметрия СДПГ.
Рассмотрим вид диаграммы Прейзаха образцов, НМА которых возникает под воздействием давления в изотермических условиях. Рассмотрим участок диаграммы параллельный главной биссектрисе. Учтем лишь понижение плотности циклов с ростом давления, что вполне достаточно для качественного и наглядного представления связи величины эффектов НМА с давлением:
Здесь множитель А ехр(-Вр Px) с физической точки зрения фактически показывает понижение потенциальных барьеров с ростом давления. С точки зрения диаграммы это означает, что с ростом давления уменьшаются критические поля а и Ь. Таким образом с ростом давления полоса с измененной плотностью циклов стягивается (вместе с конкретной линией (а-Ь)/2) к начальной области диаграммы. Линия (а-Ь)/2 перпендикулярна главной диагонали диаграммы и является геометрическим местом "центров" микрогистерезисных циклов. Это значит, что при конкретных значениях критических полей перемагничивания (т.е. при конкретных абсолютных величинах а и Ь) величина (а-Ь)/2 является средней величиной этих полей.
Сужение перетяжки на петле СДПГ соответствует уменьшению коэффициентов к] и к2. На рис. 52 и 53 приведены диаграммы, рассчитанные по формулам (29)-(30). В данном случае дана зависимость от давления плотности микрогистерезисных циклов, расположенных вдоль линии (а-Ь)/2, поскольку нельзя изобразить диаграмму с четырьмя осями. Расчет приведен для Нт = 15 Э. Однако, вид диаграммы не изменится и для другого Нт (изменится лишь отсчет по оси (а-Ь)/2).
В формулы (29)-(30) можно ввести дополнительный множитель аналогичный формуле (17), учитывающий сужение измененной полосы. Сужение этой полосы равнозначно уменьшению дисперсии потенциальных барьеров и уменьшению ширины перетяжки. В этом случае окончательные формулы влияния давления на НМА для участка диаграммы, расположенного вдоль линии (а-Ь)/2, следующие105
Методика подготовки образца для исследований и измерение сигналов
Перед проведением эксперимента необходимо убедиться в работоспособности аппаратуры и её точности. В случае возникновения неисправностей они должны локализоваться в короткий срок. Для выполнения тестирования и начальной настройки аппаратно-программного комплекса используется специальный программный модуль. Если установлена опция запуска тестирования при загрузке, то сразу после загрузки программы инициализируется модуль тестирования. Если выше названная опция отключена, то тестирование инициализируется выбором соответствующего пункта меню. На первом шаге тестируется параллельный порт на работоспособность, затем проверяется подсоединен ли аппаратный комплекс. На втором шаге производится опрос всех регистров комплекса на ввод/вывод информации. На третьем шаге проверяется работоспособность оперативной памяти, если возникают трудности, то отыскивается область памяти максимального объёма в которой данные записываются и читаются верно (учитывается также возможность выхода из строя линий адреса). На четвёртом шаге начинается тестирование четырёх каналов вывода аналоговых сигналов путём их оцифровки АЦП, на этом шаге дополнительно проверяется работоспособность коммутатора сигналов и схем управления оперативной памятью. На пятом этапе тестируется на точность АЦП по опорным напряжениям. Четвёртый и пятый шаги тесно взаимосвязаны, поэтому результат тестирования анализируется комплексно. Если тестирование прошло удовлетворительно, то управление передаётся основной программе взаимодействия с комплексом. В случае обнаружения неполадок анализируется их влияние на точность получаемых данных и при возможности учитываются отклонения в результатах измерений и выдаётся сообщение об обнаруженных неполадках. В случае невозможности провести качественные измерения выдаётся сообщение об отказе аппаратного комплекса и указываются причины. В этом случае нужно попытаться устранить неисправность.
Далее после тестирования система конфигурирует параметры эксперимента в соответствии с данными пользователя, если таковые имеются, иначе устанавливаются следующие параметры: амплитуда переменного магнитного поля 30 Эрстед; частота переменного поля -1000 Гц; напряжённость постоянного магнитного поля 0 Эрстед; температура нагрева - комнатная температура; начальная амплитуда входного сигнала - 2 В; канал оцифровки- датчик сигнала образца; оперативная память заполняется нулями, адрес устанавливается в начало рабочей области.
Для приведения образца в размагниченное состояние используется соленоид с амплитудой переменного поля 400-500 Эрстед.
Размагничивание происходит при нахождении образца в соленоиде и медленном извлечении его. Получается эффект убывающего до нуля переменного поля. Образец может быть также терморазмагничен путём нагрева его без поля до температуры выше точки Кюри, выдержке его определённое время при этой температуре и последующим охлаждением без поля.
Для приведения образца в термонамагниченное состояние используется следующая процедура. Размагниченный образец помещают в измерительный комплекс. Затем при наличии постоянного поля термонамагничивания Нт или без него образец нагревают до заданной температуры. Включают постоянное поле Нт, если оно не было включено, и выдерживают в таком состоянии 15-30 мин. Потом следует медленное охлаждение со скоростью 5-10 С/мин. После такой процедуры, когда температура опускается до комнатной образец готов к исследованиям.
Другой вариант: размагниченный образец нагревают без постоянного поля до температуры Нт и включают поле. Выдерживают образец 15-30 мин и медленно охлаждают.
При термонамагничивании образец может подвергаться дополнительным внешним воздействиям - одноосному давлению. Внешние факторы, воздействующие на образец при создании в нём наведённой магнитной анизотропии влияют на её проявление при измерениях.
Поступающий сигнал имеет разную амплитуду для каждого образца, поэтому его нужно усиливать в определённое число раз для более полного использования точности АЦП. Процедура подбора коэффициента усиления проводится следующим образом. Принимается максимальная амплитуда сигнала образца равная 2 В. Проводится пробное измерение. Если амплитуда измеренного сигнала меньше трети шкалы измерения, то сигнал усиливается во столько раз, чтобы его амплитуда была больше 1/3 шкалы измерения, но меньше 2/3 от шкалы измерения . После этого коэффициент считается установленным.
Для оцифровки сигнала используется АЦП с частотой выборки 2 МГц и разрядностью на выходе 16 бит. Ввиду большой дороговизны специализированных АЦП с подобными характеристиками в данном комплексе АЦП собран на отечественной базе по двухтактной схеме. При этом учитывается 2 бита на ошибку, связанную с изменением напряжения сигнала на устройстве выборки-хранения. С учётом этого достоверным считается 14 битовый код составленный из 8 бит первой ступени и 6 старших бит второй ступени.
