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

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

362

М А Г Н И Т О С Т А Т И Ч Е С К И Е

К О Л Е Б А Н И Я И В О Л Н Ы

[ Г Л . 7

лежат в пределах

 

 

 

 

 

- f - 4 г

<

Яо <

+ 4 - ЯМ0.

(7.3.27)

Ширина этого интервала полей составляет 2пМ 0.

Как видно из рис. 7.3.4, кроме упоминавшегося выше вырож­ дения типов (т, т, 0) и (Зт + 1, 3т, 0), в спектре магнитостати­ ческих колебаний имеет место целый ряд «случайных» вырожде­ ний — совпадений частот различных типов при определенных зна­ чениях параметров.

Заметим, что при повышении температуры интервал (7.3.27) в целом и расстояния между резонансными полями отдельных ти­ пов колебаний уменьшаются вследствие уменьшения намагничен­ ности. Для колебаний (т, т, 0) и (т + 1, т, 0) уменьшение расстояний между резонансными полями происходит пропорци­ онально М 0. Измерение интервала по частоте или полю между какой либо парой колебаний этих серий представляет собой один из наиболее простых и точных методов измерения температурной зависимости намагниченности [205, 505].

Эллипсоид вращения. Приведем теперь кратко некоторые ре­ зультаты решения [200] (см. также [201, 240]) более общей задачи о магнитостатических колебаниях эллипсоида вращения (сферои­ да), намагниченного в направлении оси вращения. Все допущения и математическая формулировка этой задачи аналогичны рассмот­ ренному выше случаю сферы. Необходимо найти решения уравне­ ния Лапласа (7.2.8) для магнитостатического потенциала вне и уравнения (7.1.7) для потенциала внутри сфероида и обеспечить выполнение на поверхности сфероида граничных условий, которые заключаются в непрерывности касательных составляющих магнит­ ного поля и нормальной составляющей магнитной индукции. Вы­ полнение этой программы приводит к следующему уравнению для частот собственных колебаний намагниченности сфероида х):

=На (Р 'п 'У Ы + (Х I m I а2

(Ql!"1)' K«)

(7.3.28)

^ m|(W

Qlm|(U

 

Здесь P|,m| (ё) и Qi"'1(Ю — присоединенные полиномы Лежандра первого и второго рода [42], о = da (рис. 7.3.5),

е

і /

а¥

1 >

t

а

S ß a — у

a2(i _

Ьа —

•

В уравнение (7.3.28) входит параметр а, характеризующий фор­ му сфероида. Он может изменяться в пределах от 0 до оо. Значе­ ние а = 1 соответствует сфере, при этом |j?a переходит в а)*

*) Для удобства сравнения с (7.3.13) уравнение (7.3,28) записано в обо­ значениях, несколько отличающихся от [200],

§ 7.3]

Н Е О Д Н О Р О Д Н Ы Е М А І'Н И 'Г О С 'Г А 'Г И Ч Е С ІШ Е Н О Л Е Б А Н И Я

ЗбЗ

 

оо. Можно убедиться, используя асимптотические свойства

полиномов

(£) [42], что уравнение (7.3.28) при а

1

перехо­

дит

в (7.3.13).

анализ уравнения (7.3.28), проведенный

Уокером

Детальный

[200], показал, что многие свойства магнитостатических колеба­ ний, которые были отмечены выше для случая сферы, имеют место и для произвольного сфероида. В частности, и для сфероида типы колебаний могут характеризоваться индексами п, т и г, где г определяет номер корня уравнения (7.3.28) для данных п и т.

Число

этих корней,

т. е. различных типов колебаний с данными

/ г и т ,

составляет,

как

и для

сферы, р + 1

 

 

 

при т > 0 и р при т ^

0, где р определя­

 

 

 

ется выражением (7.3.15).

 

 

 

 

 

 

Серии колебаний с р — 0, т. е. (т, т, 0)

 

 

 

и (т

+

1, т , 0), и в случае сфероида харак­

 

 

 

теризуются круговой поляризацией поля и

 

 

 

намагниченности, независимостью

распреде­

 

 

 

ления поля и намагниченности от Н0 и М 0 и

 

 

 

независимостью разности (ю — сон) от Я„.

 

 

 

Собственные частоты колебаний этих серий в

 

 

 

зависимости

от отношения

осей сфероида а

 

 

 

показаны на рис. 7.3.6. Тип колебаний (1, 1,0)

 

 

 

и в случае произвольного сфероида представ­

 

 

 

ляет собой однородную (киттелевскую) пре­

 

 

 

цессию намагниченности.

 

 

 

Рис. 7.3.5. Намагничен­

Для магнитостатических

колебаний сфе­

ный эллипсоид

враще­

роида

по-прежнему справедливы неравенст­

 

ния.

 

ва (7.2.30),

где теперь соя =

 

у(Н 0— N ZM 0).

 

спектр

маг­

При

а — 0

(тонкий нормально намагниченный диск)

нитостатических колебаний сфероида «сжимается» в точку

 

 

 

 

 

со =

соя =

Т(Яо — 4яМ 0),

 

 

 

а при

а —> оо (тонкий

продольно

намагниченный

цилиндр) —

в точку

 

 

£

 

 

 

 

 

 

 

 

 

со =

 

 

= Т (Я0 + 2яМ0).

 

 

 

 

 

Ын + ~2~

 

 

 

Это свойство спектра магнитостатических колебаний сфероида иллюстрирует рис. 7.3.6.

Затухающие я вынужденные колебания. Следуя общей схеме изучения колебательных процессов (см. §§ 1.3, 1.4, 6.3), мы долж­ ны перейти теперь к рассмотрению свободных запгухающих магни­ тостатических колебаний. Для этого достаточно в характеристи­ ческие уравнения (7.3.1), (7.3.13), (7.3.28) подставить выражения (л и |.іа с учетом диссипации (§ 1.3). Решения характеристических уравнений окажутся комплексными, их мнимые части со" будут

364 М А Г Н И Т О С Т А Т И Ч Е С К И Е К О Л Е Б А Н И Й Й В О Л Й Ы № Л . t

характеризовать затухание свободных колебаний. Вычисления, к которым это приводит, достаточно громоздки, а результаты ые являются особенно интересными: добротности неоднородных маг­ нитостатических колебаний оказываются одного порядка с доб­ ротностью однородной прецессии, что подтверждается и экспе­ риментально (см., например, [202]).

Рис. 7.3.6. Зависимости частот магнитостатических колебаний

0) и (т + 1, т, 0)

от формы эллипсоида вращения [200].

 

Переходя к рассмотрению вынужденных колебаний, отметим прежде всего, что магнитостатические колебания удовлетворяют соотношениям ортогональности [209, 240], которые являются след­ ствиями уравнения Уокера (7.1.7) и граничных условий на по­ верхности образца. Приведем одно из этих соотношений:

^ ш , X mv'dF = 0 при v=jfc=v'.

(7.3.29)

у

 

Здесь интегрирование производится по объему образца, а ѵ и ѵ' означают совокупности индексов, характеризующих тип колеба­ ний, например, для сфероида (сферы) — индексов п, т и г. На­ магниченности собственных магнитостатических колебаний, удо­ влетворяющие условиям ортогональности, образуют (в рамках магнитостатического приближения) полную систему функций, по которой можно вести разложение произвольной переменной намагниченности.

Ортогональность и полнота (в рамках магнитостатического при­ ближения) системы собственных функций — намагниченностей магнитостатических колебаний — позволяет построить теорию вынужденных колебаний, аналогичную теории вынужденных элект­ ромагнитных колебаний полых резонаторов (§ 6.3). Простейшей задачей такой теории является задача о возбуждении магнито­

§ ? .з ]

Н Е О Д Н О Р О Д Н Ы Е

М А Г Н И Т О С Т А Т И Ч Е С К И Е

К О Л Е Б А Н И Я

365

статических колебаний

заданным внешним

переменным

полем

(h (г)

— его комплексная амплитуда, а со — частота). Комплекс­

ную амплитуду намагниченности образца можно искать в виде ряда по намагниченностям собственных колебаний, определенным образом нормированным:

ш (г) =

2 Сѵт ѵ(г)-

(7.3.30)

Для коэффициентов этого ряда получатся формулы вида

 

J h (r) m*(г) dV

 

Сѵ = Сю2

V_____________

(7.3.31)

<o2 — со2 + 2ic<vco2 ’

 

где cov и av — собственные

частоты и параметры

диссипации

магнитостатических колебаний, а С — константа, зависящая от нормировки собственных функций; интегрирование в (7.3.31) производится по объему образца.

Если параметры аѵ достаточно малы (что имеет место для по­ лированных образцов из хороших монокристаллов, например иттрий-железиого граната), то, как правило, будет происходить поочередное возбуждение различных типов прецессии при изме­ нении частоты возбуждающего поля а> или величины внешнего постоянного поля (влияющего на собственные частоты соѵ). Это и имело место в опытах по возбуждению магнитостатических ко­ лебаний в сферах [199, 202], дисках и цилиндрах [207]. Некоторые из полученных в таких опытах серий резонансных кривых приве­ дены на рис. 7.3.7 и рис. 7.3.8.

Условием возбуждения данного магнитостатического типа ко­ лебаний является неравенство нулю интеграла возбуждения, стоящего в числителе формулы (7.3.31). При однородном внешнем поле h интеграл возбуждения не обращается в нуль только для однородной прецессии (1,1,0). Для возбуждения других — неод­ нородных типов колебаний необходимо неоднородное переменное поле, и интенсивность их будет тем больше, чем ближе структура переменного поля к структуре намагниченности данного типа. Этот вопрос исследовался экспериментально (см., например, [202]), и было получено удовлетворительное совпадение с теорией. В частности, тип колебаний (2, 1, 0), характеризующийся, как видно из (7.3.23), линейной зависимостью намагниченности от z, возбуж­ дается (см. рис. 7.3.7) только в том случае, когда имеет место не­ четная зависимость поперечного магнитного поля от z.

Правда, магнитостатические типы колебаний возбуждаются часто и тогда, когда интеграл в (7.3.31), казалось бы, должен об­ ращаться в нуль, например при помещении образца в область

366

М А Г Н И Т О С Ф А 'Т Й Ч Ё С К Й Ё К О Л Й В а И Й Й и в о л н ы

[ Г Л . 7

t u , О!

Но

j-----------А ~

L

 

згоо

1 Нд э

Рис. 7.3.7. Кривые резонансного поглощения при расположении

ферритовой сферы в

переменных магнитных полях с различной симметрией [202]. Частота 9 Ггц. Сфера диамет­ ром 1,1 мм из монокристалла иттрий-железного граната помещалась в различных точках прямоуго льного резонатора ТЕИ0. Начала отсчета на осях абсцисс смещены таким об­ разом, чтобы линии однородной прецессии (которые расположены при различных полях из-за разных ориентаций сферы) оказались па одной вертикали. Пунктиром показаны си­

ловые линии переменного магнитного поля.

Рпс. 7.3.8. Кривые резонансного поглощения п диске (верхняя кривая) и в диске с закруг­ ленными краями, мало отличающемся от эл­ липсоида вращения (нижняя кривая) в одно­ родном внешнем переменном поле [207].'.Ча­ стота 9 Ггц. Размеры образцов — в милли­ метрах, величины внешнего постоянного по­
ля — в эрстедах.

§ 7 .3] Н Е О Д П О Р О Д И Ы Е М А Г Н И Т О С Т А Т И Ч Е С К И Е К О Л Е Б А Н И Я 367

однородного поля резонатора. Это бывает связано с неточностью расположения образца, искажениями поля в резонаторе неоднород­ ностью внутреннего ноля вследствие неэллипсоидальной формы образца (рис. 7.3.8), а также с влиянием анизотропии и размеров образца, на котором мы остановимся несколько ниже.

Задача о возбуждении магнитостатических типов колебаний может быть поставлена и по-другому, с учетом свойств той полой системы, в которой находит­ ся ферромагнитный образец.

Пусть, например, такой си­ стемой является полый резо­ натор. Тогда может быть сформулирована задача об определении поля в резона­ торе и намагниченности об­ разца при заданных возбуж­ дающих токах и полях на отверстиях резонатора. Это, по существу, та же задача, которая рассматривалась в §6.3. Градиентная функция фл в (6.3.21) совпадает с маг­ нитостатическим потенциа­ лом главы 7, и ее можно ис­ кать в виде ряда по собствен­ ным магнитостатическим ти­ пам колебаний образца.

Влияние кристаллографи­ ческой анизотропии. До сих пор, рассматривая магнито­ статические колебания, мы принимали для тензора маг­ нитной проницаемости выра­ жение (1.2.33), т. е. считали, что среда (в отсутствие посто­ янного намагничения) изот­

ропна. Но эксперименты проводятся обычно на монокристаллах. Поэтому интересно выяснить, какое влияние оказывает на маг­ нитостатические колебания кристаллографическая анизотропия вещества.

В § 7.1 было показано, что решения магнитостатических задач, полученные для изотропной среды, справедливы для монокрис­ талла при замене (7.1.29), если выполняются условия (7.1.31). Отсюда следует, что резонансные частоты всех магнитостатичес­ ких колебаний при выполнении этих условий будут сдвинуты от­ носительно резонансных частот в изотропных образцах той же

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