ИСТИНА

В настоящее время практически отсутствует информация о характере распределения магнитного поля и намагниченности в объеме магнитномягкого образца при его перемагничивании полем электрического тока или внешним магнитным аксиальным полем. Неоднородное распределение переменного магнитного поля в объеме образца при условии зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля приводит к значительной неоднородности в распределении магнитной проницаемости по сечению магнитных микропроводов, лент и пленок. Существующие на данный момент экспериментальные методы дают, как правило, либо интегральную картину намагниченности образца, либо информацию о поверхностных процессах, которые лишь косвенно отражают внутренние процессы перемагничивания. Данный проект призван расширить существующие представления о трансформациях микромагнитной структуры магнитномягких сплавов в переменных магнитных полях и о процессах, определяющих магнитные потери и релаксационные характеристики сплавов. Успешная реализация проекта позволит разработать подходы к томографии магнитных свойств различных материалов.

At present, there is practically no information on the nature of the distribution of the magnetic field and magnetization in the volume of a magnetic soft sample when it is reversed by an electric current field or an external magnetic axial field. The inhomogeneous distribution of the alternating magnetic field in the bulk of the sample under the condition of the dependence of the magnetic permeability on the magnetic field strength leads to a considerable inhomogeneity in the distribution of the magnetic permeability along the cross-section of magnetic microwires, tapes and films. The currently existing experimental methods give, as a rule, either an integral picture of the magnetization of the sample, or information about surface processes that only indirectly reflect the internal processes of magnetization reversal. This project is intended to expand existing ideas about the transformations of the micromagnetic structure of magnetic alloys in variable magnetic fields and the processes that determine the magnetic losses and relaxation characteristics of alloys. Successful implementation of the project will allow to develop the tomography of magnetic properties of materials.

К концу первого года планируется завершение численной модели магнитномягкого материала, обеспечивающей совпадение данных численного моделирования с экспериментальными данными; получение экспериментальных данных об интегральным магнитных характеристиках магнитномягких микропроводов и лент, в частности: 1. Будут подготовлены образцы магнитномягких материалов с различной геометрией; проведена паспортизация образцов, исследованы их магнитные свойства; подготовлены образцы близкого состава с различными геометрическими параметрами (аморфные провода различного диаметра, приготовленные из одной лигатуры, а также аморфные ленты различной толщины), измерены структурные свойства подготовленных образцов, определены оптимальные параметры для контроля дальнейших исследований, проведены измерения магнитостатических и магнитодинамических свойств, проведен анализ полученных результатов. 2. Будет исследовано влияние различных факторов (деформации, температура) на магнитные свойства отобранных образцов и проанализированы механизмы обнаруженных зависимостей. 3. Будет разработана модель магнитномягкого образца при перемагничивании магнитным полем электрического тока для цилиндра и параллелепипеда в программном пакете "Comsol". Результаты моделирования будут сопоставлены с экспериментальными данными. 4. Будет модернизирован экспериментальный комплекс для исследования динамических магнитных характеристик образцов с целью независимого получения циркулярных и аксиальных петель гистерезиса. 5. Будут подготовлены публикации по итогам проведенных исследований.

Коллектив исполнителей состоит из специалистов в области физики магнитных явлений, имеющих большой опыт экспериментальных и теоретических исследований магнитномягких материалов. Руководитель и исполнители проекта принимали участие в выполнении государственных контрактов, международных грантов и грантов РФФИ, в ходе некоторых, в частности, проводились исследования эффекта гигантского магнитного импеданса, динамики движения доменных границ нано- и микропроводов. Основную часть коллектива составляют молодые сотрудники, аспиранты и студенты (6 человек), темы кандидатских диссертаций и дипломов которых непосредственно связаны с темой Проекта. К основным разработанным группой исполнителей методикам можно отнести следующие: 1) Лабораторные методики измерения кривых намагничивания магнитно-мягкого микропровода (Перов Н.С.); 2) Комплекс экспериментальных методик, позволяющий проводить оценки микромагнитной структуры микропровода. Для оценки необходимо провести сравнительный анализ результатов следующих исследований: измерение полевых зависимостей перпендикулярной полю компоненты магнитного момента и измерение магнитостатического взаимодействия микропроводов, находящихся в непосредственной близости друг от друга. До исследований, проведенных руководителем проекта, существовали только теоретические оценки положения доменной границы, отделяющей центральный домен с аксиальным направлением намагниченности от наружных доменов с радиальным или циркулярным направлением магнитного момента. Разработанный комплекс методик позволил провести оценки положения указанной доменной границы для аморфного ферромагнитного микропровода с разными магнитными свойствами (Родионова В.В.).

В первом приближении было получено распределение магнитной проницаемости по радиусу микропроводов с околонулевй магнитострикцией. Было показано, что в случае быстрого изменения величины проницаемости по радиусу, а также в случае существенного вклада неоднородных процессов намагничивания данное приближение не дает корректного результата, так как данные процессы не учитываются при постановке модели. Случаи, в которых данное приближение неприменимо, требуют учета полевой зависимости и пространственной неоднородности магнитной проницаемости в уравнениях Максвелла. В случаях, удовлетворяющих условиям использования модели, было получено распределение магнитной проницаемости по радиусу микропровода. Наблюдалась спадающая тенденция магнитной проницаемости при приближении к поверхности микропровода, что может быть связано с ростом величины упругих напряжений. Скачки магнитной проницаемости, наблюдаемые на некоторых зависимостях, наиболее вероятно, связаны с особенностями распределения механических напряжений, в том числе приводящих к смене преимущественного направления намагниченности, так и с химической неоднордностью материала. Показана зависимость магнитной проницаемости от распределения механических напряжений при исключенном влиянии геометрических параметров [Indirect method of micromagnetic structure estimation in microscale wires /Alekhina Iu., Kolesnikova V., Rodionov V., Andreev N., Panina L., Perov N., Rodionova V. / Nanomaterials. – подана в редакцию., Radial dependence of circular magnetic permeability of amorphous magnetic microwires / N. Perov, Iu. Alekhina, I. Baraban, M. Khajrullin, V. Kolesnikova, A. Komlev, L. Makarova, V. Rodionova // JMMM. – подана в редакцию. ], см. «Полный текст отчета за 3 года» Для квазистационарного случая, который соответствует условиям эксперимента, уравнения Максвелла записываются в упрощенной форме. В классическом случае постоянной магнитной проницаемости распределение электрического тока по сечению проводника может быть получено в общем виде. В случае же зависящей от поля проницаемости решение в общем виде получено быть не может. Были исследованы магнитные и магнитоимпедансные свойства аморфных материалов. Полученные данные о магнитных свойствах микропроводов, типах их структур и частотных зависимостях импеданса были использованы для оценки радиального распределения магнитной проницаемости. Было установлено, что для серий образцов с околонулевой магнитострикцией статические петли гистерезиса, при хорошем совпадении величины намагниченности насыщения, существенно отличаются для образцов, различающихся диаметрами ферромагнитной жилы или процессом обработки. В силу того, что распределение упругих напряжений и зависящая от него константа магнитострикции определяют величину константы и направление оси магнитоупругой анизотропии [Temperature, stress, and structural-relaxation dependence of the magnetostriction in (Co0.94/BFe0.06)75/BSi15B10 glasses. / Barandiaran, J. M. Hernando, A. Madurga, V. Nielsen, O. V. Vazquez, M. Vazquez-Lopez, M. // Phys. Rev. B. - 1987. – Vol.35. - 5066], их различие может приводить к возникновению различных типов доменных структур в микропроводах, полученных из одной лигатуры. Такие изменения магнитных характеристик могут свидетельствовать о вариациях в микромагнитной структуре образцов, в частности, о различных объемных долях аксиально намагниченного керна или о различной анизотропии в приповерхностной области. Различие видов кривых ГМИ для микропроводов одной серии также подтверждает предположение о различиях направлениях преимущественной ориентации намагниченности. Для ряда микропроводов наблюдалась эволюция вида кривой ГМИ с частотой. Предполагается, что на более низкой частоте, а следовательно, при большей толщине скин-слоя ток частично протекает в аксиально намагниченной области, что объясняет спадающий с ростом поля вид зависимости. Подробно результаты данных исследований представлены в файле «Полный текст отчета за 3 года». Влияние внешних факторов на магнитные свойства аморфных материалов также было рассмотрено. Для микропровода состава Fe6.1Co57Ni10B15.9Si11 с диаметром жилы 14.4 мкм вид петли гистерезиса зависел от амплитуды пропускаемого тока – начальная проницаемость при увеличении амплитуды тока до 40 мА уменьшается в 4 раза. Стоит также отметить явный вклад паразитного эффекта, связанного с выделением Джоулева тепла и приближением микропровода к температуре Кюри, что может быть зарегистрировано по спаду намагниченности насыщения на 27% при увеличении амплитуды тока до 40 мА. Для микропроводов состава Fe75B15Si10 диаметром 10,8 мкм с большим значением температуры Кюри изменение намагниченности насыщения менее выражено в случае небольших пропускаемых токов (до 17% при амплитуде тока до 40 мА). Более того, заметно изменение коэрцитивной силы при увеличении амплитуды пропускаемого тока (2.3 Э для микропровода в отсутствие пропускаемого тока и 0.16 Э при пропускании тока амплитудой 40 мА), что также может быть связано с появлением циркулярной компоненты магнитного поля Кроме того, было исследовано влияние слабых магнитных полей на процессы перемагничивания аморфных микропроводов, для чего исследовалось поведение пар взаимодействующих микропроводов различной длины. Неоднородное распределение магнитной проницаемости по сечению образца может оказать влияние не только на динамические, но и на статические магнитные свойства. В этом случае, радиальная зависимость магнитной проницаемости вносит вклад во взаимодействие магнитных доменов, что может найти отражение в полевом разбросе процессов их перемагничивания. Для массивов микропроводов наблюдалось их последовательное перемагничивание, что также подтверждает наличие взаимодействия. Данные результаты представлены в публикации [Rodionova V., Perov N. Characteristics of magnetization reversal of magnetostatically coupled microwire-based system // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. — 2019. — Vol. 32, no. 10. — P. 3103–3107.]. Была разработана модель перемагничивания магнитномягкого цилиндра однородным полем, приложенным вдоль оси образца, а также токового перемагничивания образца в программном пакете Comsol Multiphyscs. Проницаемость магнитномягкого провода постулировалась зависящей от внешнего магнитного поля. Такая зависимость может быть выражена в общем случае как производная функции Ланжевена. При построении модели были использованы экспериментально полученные значения намагниченности, коэрцитивной силы, парамагнитного вклада. Было показано, что распределение намагниченности существенно отличается в случае зависящей от поля магнитной проницаемости и в случае постоянной и пространственно-однородной магнитной проницаемости. В случае, когда приложены одновременно аксиальное и циркулярное (токовое) поля, распределение намагниченности становится сильно зависящем как от проницаемости провода, так и от величины внешнего магнитного поля. Намагниченность приобретает циркулярную компоненту. Чем больше внешнее магнитное поле, тем больше угол наклона вектора намагниченности относительно плоскости сечения (перпендикулярной оси провода). Полученные изменения проекции намагниченность на ось микропровода согласуются с экспериментальными данными о зависиимости магнитного момента микропровода от амплитуды пропускаемого тока. Показано, что в определнных условиях в образцах формируется геликоидальная магнитная структура. Распределение магнитного поля в сечении проводника при пропускании переменного электрического тока с учетом скин-эффекта показало неоднородность распределения величины и ориентации намагниченности по сечению проводника. Подробно результаты моделирования представлены в файле