Материал: Гуревич, А. Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

ГЛ A B А 5

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ ГИРОТРОПНЫХ СРЕД

§5.1. Уравнения

В предыдущих главах изучалось, в основном, поведение фер­ ро-, антиферро- и ферримагнетиков в заданном переменном маг­ нитном поле (при наличии постоянного магнитного поля). Это поведение определялось тензором магнитной восприимчивости, компоненты которого мы находили, решая уравнение движения намагниченности или систему уравнений движения намагничен­ ностей подрешеток. Однако уже в § 1.4 отмечалось, что перемен­ ное магнитное полей, действующее на вещество в реальных систе­ мах, не может рассматриваться как заданное. Заданными явля­ ются поля или потоки энергии в каких-либо, обычно удаленных от ферромагнитных образцов частях системы. И для того чтобы полностью описать электромагнитные процессы в таких системах (найти как намагниченности, так и переменные поля), необходимо, кроме уравнений движения намагниченности, использовать урав­ нения электромагнитного поля, а также граничные условия на поверхностях раздела различных сред.

Простейшая задача такого

типа рассматривалась в § 1.4;

исследуемая система представляла

собой малый (по

сравнению

с длиной электромагнитной волны)

ферромагнитный

эллипсоид

в неограниченном пространстве;

на

больших расстояниях

от эл­

липсоида имело место однородное

переменное магнитное

поле.

В этом случае применимы уравнения магнитостатики, и мы (сле­ дуя Киттелю) воспользовались известным решением их для эллип­ соида в однородном поле. Если образец — не эллипсоид или внеш­ нее поле не однородно, это решение, конечно, неприменимо. Если же размеры образца сравнимы с длиной электромагнитной волны,

то необходимо использовать уже не уравнения

магнитостатики,

а общие уравнения электродинамики.

электродинамика

Уравнения Максвелла. Макроскопическая

неподвижных сред основывается на уравнениях Максвелла [40,43]

„ .

1

дБ

п

divB =

0,

rot Е +

— ~gf -

0,

. тт

1

3D

4я т

div D =

(5.1.1)

rot Н ------- 5— =

--- J,

4яі?,

 

с

dt

с

’

 

§ 5.1]

 

 

У РА В Н ЕН И Я

225

 

 

 

 

где Е

и Н

— векторы

электрического

и магнитного поля, а D

и В

— электрической

и магнитной

индукции, J — плотность

свободного

тока, R — плотность свободного заряда. Напомним,

что входящие в уравнения (5.1.1) величины являются [43] усред­ ненными в пространстве и во времени значениями следующих

микроскопических величин:

вектор Е — электрического

поля

Ем, вектор D — величины

Ем + 4яР

(где

Р — электрическая

поляризация), вектор

В — магнитного

поля

Нм, а вектор

Н —

величины ГІМ— 4яМ

(где

М — намагниченность).

 

В настоящее время нет

сомнения в справедливости уравнений

Максвелла (5.1.1). Эта уверенность основывается на том, что все их следствия полностью подтверждаются опытом. Кроме того, они следуют из уравнений Максвелла — Лоренца для полей Ем и Нм в вакууме, все следствия которых также находятся в полном согласии с опытом.

Граничные условия. Граничные условия, т. е. соотношения, которым удовлетворяют векторы Е, Н, D и В на границе раздела двух сред, являются следствиями уравнений Максвелла. Если обозначить индексом 1 величины в одной из сред, а индексом 2 — в другой и ввести единичный вектор нормали к граничной поверхности п0 (направленный из первой среды во вторую), то граничные условия запишутся следующим образом [41, 26]:

Ех Xп0 — Е2 X п0 = О,

Dxn0 — D2n0 = 4яті,

(5.1.2)

HxXn0 - H 2x n 0 = ^ І ,

Bxn0 — B2n0 = 0,

где ц и I — поверхностные плотности свободных заряда и тока. Они равны нулю для реальных сред, но часто вводятся при приб­ лиженном рассмотрении границы очень плохо проводящей среды (диэлектрика) с хорошо проводящей (металлом). В этом случае в первом приближении *) можно считать, что поле в металле (вто­ рой среде) отсутствует и

ЕхХпо = 0 ,

Н іх п 0 =

^ 1 ,

(5.1.3)

Вхпо = 0,

D]n0 =

4ят].

 

Тогда в диэлектрике электрическое поле нормально, а магнитная индукция (но, вообще говоря, не магнитное поле!) касательна к поверхности раздела с металлом.8*

*) В следующем приближении на границе металла будут иметь место гра­ ничные условия Леонтовича (см., например, [37]).

8 А. Г. Гуревич

226

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ ГИРОТРОПНЫ Х СРЕД

[ГЛ. 5

Материальные соотношения. Для того чтобы получить полную систему уравнений, к уравнениям Максвелла (5.1.1) следует до­ бавить так называемые материальные соотношения, дающие связь Л, J, D и В с векторами Е и Н. Величины R и J связаны между собой уравнением сохранения заряда

divJ + ^ = 0,

(5.1.4)

которое, как легко убедиться, является следствием третьего и чет­ вертого уравнений Максвелла (5.1.1). Поэтому достаточно допол­

нить уравнения Максвелла

соотношениями, связывающими J,

D и В с Е и Н. Они должны

явиться результатом микроскопиче­

ской теории, рассматривающей конкретные свойства вещества, или следовать из эксперимента.

Разделение микроскопической задачи об определении мате­ риальных соотношений и макроскопической задачи об интегриро­ вании уравнений Максвелла не всегда возможно. Часто эти зада­ чи должны решаться совместно. Такое положение имеет место, например, в случае металлов при достаточно высоких частотах, когда глубина проникновения поля в металл («толщина скинслоя») делается сравнимой или меньшей, чем характерные размеры,

определяющие

свойства вещества, например, размер доменов

или длина свободного пробега носителей

тока. Но для инте­

ресующих нас

веществ — неметаллических

ферро-, антиферро-

и ферримагнетиков, толщина скин-слоя достаточно велика, и ука­ занные задачи могут быть рассмотрены последовательно.

При достаточно больших (но легко достижимых на практике) величинах Е и Н материальные соотношения становятся нелиней­ ными, что приводит к нелинейности всей задачи, несмотря на строгую линейность уравнений Максвелла. В ферро- и ферримагнетиках зависимость В от Н существенно нелинейна уже при довольно малых полях.

Уравнения для комплексных амплитуд. Нас интересуют про­ цессы, при которых магнитное поле является суммой постоянного (или сравнительно медленно изменяющегося) и быстроперемен­

ного полей:

(5.1.5)

Н = Н„ + h_.

Для общности примем, что и электрическое поле

 

Е = EQ-f- e^.

(5.1.6)

Тогда и остальные электродинамические величины представятся в виде таких же сумм:

D =

D0 + d^,

В = В0 + Ь_, 3 = J0 -f- j^, R = R0 p^. (5.1.7)

Если переменные поляіі- и е~достаточно малы,.то связь d„>

b« и

и

и h~ можно считать линейной. При этом все перемен'

§ 5 . 1 ]

У РА ВН ЕН И Я

227

ные составляющие будут изменяться во времени по гармониче­ скому закону, если по такому закону изменяются заданные — «возбуждающие» переменные поля или токи. Воспользуемся, как и в предыдущих главах, методом комплексных амплитуд: запи­ шем переменные составляющие в виде

е_ (г, t) = Re [е (г) eiu<], (г, t) = Re fh (г) eiuf],..., (5.1.8)

где e (г), h (г) и т. д.— комплексные амплитуды соответствующих величин.

Подставив суммы (5.1.5), (5.1.6) и (5.1.7) в уравнения (5.1.1) и приняв во внимание (5.1.8), получим две независимые системы:

одну — для

постоянных (или медленно меняющихся) величин

Е0, Н0, D0,

. . . и другую — для комплексных амплитуд быстро­

переменных величин. Первой системой, которая по форме будет совпадать с (5.1.1), мы интересоваться в дальнейшем не будем, считая, что решения ее известны. Заметим лишь, что при доста­ точно медленном изменении Е0, Н0 и т. д. во времени она распа­ дется на две независимые системы; систему уравнений электро­ статики для Е0, D0 и і?0 и систему уравнений магнитостатики для

Н 0і Во и Jo:

rotH0 =

— J0.

(5.1.9)

divB0 = 0,

 

С

 

Система уравнений Максвелла для комплексных амплитуд

переменных величин запишется следующим образом:

 

rot е -)-

Ь =

0,

(5.1.10)

div Ь =

0,

(5.1.11)

roth

d =

 

(5.1.12)

divd =

4np.

(5.1.13)

Заметим, что уравнение (5.1.11) является непосредственным след­ ствием (5.1.10), а (5.1.13) следует из (5.1.12) с учетом соотно­ шения

div j + loop = 0,

(5.1.14)

вытекающего из уравнения сохранения заряда (5.1.4). Граничные условия для комплексных амплитуд не отличаются от (5.1.2) или (5.1.3).

Остановимся теперь на форме материальных соотношений, связывающих комплексные амплитуды j, d и Ь с комплексными амплитудами е й h 1). Плотность тока может быть записана

*) В дальнейшем, как и в предыдущих главах, мы будем опускать слова «комплексные амплитуды», подразумевая под всеми переменными величина­ ми их комплексные амплитуды.

8*

228 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ ГИРОТРОПНЫ Х СРЕД [ГЛ . 5

следующим образом:

 

 

 

j = a e + jCT,

(5.1.15)

44

44

Ома), а j0T — сторон­

где а — проводимость

(j = ое — закон

ний ток; в этот ток, который при решении уравнений Максвелла обычно считается заданным, входят токи, имеющие неэлектромаг­ нитное происхождение, а также токи, вызванные электромагнит­ ными полями, не рассматриваемыми в данной задаче.

Будем считать, что электрическая индукция d не зависит от h, а магнитная b — не зависит от е х). Тогда для малых амплитуд

d =

£е,

(5.1.16)

b =

ph,

(5.1.17)

где ех — диэлектрическая проницаемость,

ар. — магнитная про­

ницаемость. Величины а, ех и р в общем случае являются тензо­

р а м второго ранга

с комплексными компонентами.

уравнений

Для

того чтобы

исключить векторы d и b из

(5.1.10)

— (5.1.13),

подставим в эти уравнения

выражения

(5.1.15), (5.1.16) и (5.1.17) и примем во внимание (5.1.14); тогда получим

rot е 4-

ph =

0,

 

(5.1.18)

div (ph) =

0,

 

(5.1.19)

r o th ---- —ее =

— j0T,

(5.1.20)

 

44

4ярст.

 

(5.1.21)

div (ее) =

 

обозначено

”

. 4я «

 

 

(5.1.22)

 

б = ех — г—

б,

 

х

(В

’

 

Рст ==

div jCT.

 

(5.1.23)

44

Комплексный тензор с мы будем называть электрической прони­ цаемостью среды (в отличие от диэлектрической проницаемости

8Х). Под электрической индукцией будем в дальнейшем понимать вектор

d = ее.

!) При этом исключаются из рассмотрения слабые магннтоэлектрические эффекты (см., например, [81]).

Источник: https://tut-files.ru/previewfile/155615