щения нулевого уровня выходного сигнала и может привести к нарушению линейности реакции прибора.
19.13.МАГНИТНЫЕ ПУЗЫРЬКИ
Вочень тонком слое некоторых кристаллических веществ при воздействии на них внешнего магнитного поля с напряжен ностью, лежащей в определенной ограниченной области, обра зуются цилиндрические домены. Составляющие магнетоны этих цилиндрических доменов ориентированы вдоль нормали к по верхности слоя и противоположно направлению поля в окружа ющей среде. При наблюдении слоя извне цилиндрические домены выглядят как маленькие кружки, поэтому их называют магнит ными пузырьками (рис. 19.13).
Множественные домены формируются в ферромагнитных кристаллах, образуя структуру с минимальной энергией. Общая минимизируемая энергия включает следующие составляющие: кристаллографическую энергию (обусловленную тенденцией маг нетонов ориентироваться в направлении осей кристалла), энер гию стенок доменов и энергию, требуемую для поддержания внешнего магнитного поля. У некоторых очень малых по разме рам кристаллов энергия внешнего поля относительно невелика, тогда как энергия стенок доменов довольно значительна. При та ких условиях отдельный кристалл способен существовать как один домен.
Некоторые тонкие пленки при наличии масштабных и размер ных ограничений способны поддерживать стенки доменов, пер пендикулярные поверхности пленки, тогда как стенки, параллель-
Рис. 19.13. Магнитные пузырьки. В не которых ферритовых пленках образу ются домены, магнетоны которых на правлены по нормали к поверхности пленки, у одних доменов — в одну (по ложительную) сторону, у других — в противоположную (отрицательную) сторону. При отсутствии внешнего маг нитного поля, или поля смещения, сум марная площадь положительных доме нов равна суммарной площади отрица тельных; однако в случае, когда имеет ся поле смещения, соотношение между этими площадями изменяется. В пре делах очень малой области напряжен ности поля смещения домены, ориенти рованные в одном направлении, при нимают форму палочек, которые при рассматривании со стороны поверхно сти пленки выглядят как пузырьки
ные поверхности, не сохраняются. В результате получается се мейство доменов, в котором одна часть доменов ориентирована в одном направлении, а другая часть — в противоположном.
При условии отсутствия приложенного извне магнитного поля в пленке формируется характерная извилистая структура, в ко торой площадь поверхности пленки, занятая доменами с одной ориентацией, приблизительно равняется площади поверхности, занятой доменами с противоположной ориентацией. Если же на эту структуру доменов воздействует внешнее магнитное поле, то, как обычно, домены, ориентированные в ту же сторону, что и внешнее поле, будут увеличиваться, а домены, ориентированные в противоположную сторону,— уменьшаться. Извилистая струк тура, возникшая в отсутствие внешнего поля, теперь изменяется так, что домены одной ориентации становятся тоньше, а домены противоположной ориентации — толще. При некоторой конкрет ной напряженности внешнего поля извилистая структура разру шается, а оставшиеся ее элементы образуют магнитные пузырь ки. При достаточно сильном внешнем поле пузырьки исчезают, и вся пленка превращается в единый домен. Такое исчезнове ние магнитных пузырьков назовем магнитной аннигиляцией.
Магнитные пузырьки имеют разные диаметры при разных напряженностях внешнего поля. При уменьшении напряженности диаметр пузырьков увеличивается. Магнитные пузырьки поддер живаются в пленке за счет внешнего поля, напряженность ко торого находится в пределах между напряженностью поля маг нитной аннигиляции и поля слияния пузырьков. Если напря женность становится меньше, чем этот нижний предел, то не которые группы пузырьков сливаются и образуется один из ва риантов типичной извилистой структуры доменов.
После того как в пленке образуются магнитные пузырьки, их можно легко перемещать, так как такие перемещения свя заны только с движением стенок доменов. На самом деле, если на пузырек действует градиент магнитного поля, то пузырек движется к области, где его энергия принимает минимальное зна чение. Скорость этого движения пропорциональна отношению разности напряженностей поля на диаметрально противополож ных границах пузырька к коэрцитивной силе магнитной среды.
19.14. МАГМЕТР
Магметр — это коммерческое название прибора, предназна ченного для измерения частоты. Он вырабатывает постоянное напряжение, пропорциональное частоте. Прибор представляет собой трансформатор, первичная катушка которого питается переменным напряжением с изменяющейся частотой и с амплиту дой, обеспечивающей полное насыщение сердечника в самом на чале периода колебаний переменного напряжения.
Рис. 19.14. Форма сигналов в магметре. Если сердечник трансформа тора изготовлен из вещества с пря моугольной петлей гистерезиса и доводится до состояния насыще ния в самом начале цикла намагни чивания, то переменный ток с любой частотой будет преобразован тран сформатором в последовательность импульсов с одинаковыми площа дями, имеющую такую же частоту.
В результате |
операции выпрямле |
||
ния |
эти импульсы |
преобразуются |
|
в постоянный |
ток, |
пропорциональ |
|
ный |
частоте |
напряжения возбуж |
|
дения |
|
|
|
Как показано на рис. 19.14, на первом полупериоде входного напряжения сердечник насыщается в одном направлении, на втором полупериоде — в противоположном.
Вторичное напряжение генерируется только тогда, когда маг нитный поток в сердечнике изменяется. В промежутки времени, когда сердечник насыщен в любом направлении, вторичное на пряжение отсутствует. Таким образом, вторичное напряжение представляет собой последовательность импульсов, у которых ширина, высота, и, следовательно, площадь остаются приблизи тельно постоянными (в соответствии с циклом насыщения сер дечника), а частота повторения определяется частотой напряже ния возбуждения первичной катушки.
При повышении частоты напряжения возбуждения происхо дит пропорциональное возрастание числа импульсов с постоян ной площадью, генерируемых за единицу времени во вторичной катушке. В результате выпрямления этих импульсов при помощи диодов получают на выходе прибора постоянное напряжение, которое пропорционально частоте напряжения возбуждения.
19.15. ЭФФЕКТ БОБЕКА
Эффект Бобека обусловлен тем, что при скручивании ферро магнитного стержня его магнетоны ориентируются по спираль ным линиям (рис. 19.15). Если воздействовать на такой стержень приращением намагничивающей силы, то между его концами бу дет генерироваться электрическое напряжение. Это явление ана логично процессу возбуждения петли гистерезиса, который ил люстрируется на рис. 19.5. При заданном приращении намагни чивающей — размагничивающей силы, создаваемой намотанной на стержень катушкой, амплитуда и полярность импульса на пряжения, возникающего между концами стержня, будут зави сеть от направления спиральной намагниченности стержня.
В ферромагнитном стержне можно создавать электрический
Рис. 19.15. Эффект Бобека. Если в результате механического скручивании ферромагнитного стержня его магнетоны ориентируются в направлении спиральных линий, то при изменении намагничивающей силы между концами стержня генерируется напряжение:
| — магнетон
ток, текущий в любом направлении, и можно намагничивать этот стержень также в любом направлении. Если ток и ось намагни чивания совпадают по направлению, то взаимодействие между магнитным полем и электрическим током не наблюдается. Иными словами, при изменении намагниченности стержня напряжение между его концами не генерируется.
Однако ориентация магнетонов зависит от механической де формации тела. Если на рассматриваемый стержень действует крутящее механическое напряжение, то оси магнетонов ориенти руются в соответствии с деформацией кручения, магнитная ось стержня принимает спиральную форму и уже не совпадает по на правлению с током. При этих условиях изменение намагниченности порождает электрическое напряжение между двумя концами стержня. Такая система по своей структуре противоположна по отношению к системе, представляющей собой проволочную катуш ку, намотанную вокруг магнитного стержня. В системе Бобека магнитный материал «намотан» вокруг проводника, несущего электрический ток. Взаимодействие между намагниченным ве ществом и проводником с током осуществляется в этих двух системах одинаково.
Хотя эффекты Видеманна, Вертхайма и Бобека связаны меж ду собой, они имеют существенные различия. В обратном эф фекте Видеманна ферромагнитный стержень с током при механи ческом скручивании приобретает осевую намагниченность. В эф фекте Вертхайма при механическом скручивании намагниченного стержня между двумя его концами генерируется электрическое
328
напряжение. В эффекте Бобека напряжение генерируется между двумя концами механически скрученного и намагниченного стержня, когда на него действует приращение намагничивающей силы.
Эффект Бобека находит применение при конструировании за поминающих устройств вычислительных машин. Однако при ис пользовании какого-либо одного материала не удается достичь оптимальных магнитных и электрических характеристик эффекта Бобека. Поэтому применяют составные материалы — на поверх ность проволоки с малым электрическим сопротивлением наносят вещество с большой коэрцитивной силой.
19.16. ЭФФЕКТ ВИГАНДА
Эффект Виганда заключается в резком изменении магнитного потока, происходящем в так называемой проволоке Виганда при определенных условиях приложения внешней магнитодвижу щей силы. Эта проволока характеризуется разрывностью петли гистерезиса, которой не наблюдается у других материалов.
Чтобы получить проволоку Виганда, нужно на коротком участке первоначально однородной проволоки создать наружный слой, имеющий намного большую коэрцитивную силу, чем внут ренняя часть, играющая роль сердечника. Для этого проволоку из викалоя подвергают холодной обработке, скручивая ее пооче редно в противоположных направлениях при растягивающем напряжении, а затем — соответствующей термообработке. Такая процедура создает у поверхности проволоки устойчивую дефор мацию спиральной формы. Типичная проволока Виганда имеет длину 3 м и диаметр 0,25 мм.
Вследствие того что в указанной структуре наружная оболоч ка и внутренний сердечник имеют разные коэрцитивные силы, сердечник может удерживать намагниченность с полярностью, не совпадающей с полярностью оболочки. В результате оказы ваются возможными следующие четыре варианта магнитной кон фигурации: сердечник и оболочка намагничены в одном и том же (скажем, первом) направлении; сердечник намагничен в пер вом направлении, а оболочка — в противоположном (втором) направлении; сердечник и оболочка намагничены в одном и том же втором направлении; наконец, сердечник намагничен во втором направлении, а оболочка — в первом.
Как показано на рис. 19.16, можно изменять направление намагниченности сердечника, не влияя при этом на состояние оболочки. Если режим работы устройства соответствует тщатель но выбранной вспомогательной петле гистерезиса, то при обра щении полярности сердечника по отношению к оболочке происхо дит небольшой скачок магнитного потока, а возвращение поляр ности сердечника к полярности оболочки сопровождается зна-