Магнитное поле постоянного магнита с поверхностным рельефом
Ключевые слова:
постоянные магниты в электротехнике, постоянные пленочные магниты, магнитное поле, магнитостатика
Аннотация
Целью данной работы является нахождение нового метода усиления величины магнитного поля, создаваемого постоянным пленочным магнитным материалом. Задача состоит в предложении способа, который был бы достаточно простым в применении на практике и позволил бы повысить эффективность использования тонкопленочных магнитных материалов в различных областях электротехники, электроники, спинтроники, магноники и физики (например, для увеличения силы взаимодействия постоянных магнитов статора с токовыми катушками якоря микроэлектродвигателей или генераторов). Проблема является актуальной, поскольку такие материалы применяются во многих отраслях науки и техники, где необходима миниатюризация, например, в датчиках магнитного поля, устройствах спинтроники, спиновых клапанах (так называемых сенсорах на основе эффекта гигантского магнитосопротивления), приборах магноники, устройствах хранения информации нового поколения, но имеют при этом, наряду с преимуществами, и некоторые недостатки. В статье предлагается способ генерации однородно намагниченной микромагнитной пленкой довольно сильного магнитного поля посредством создания на ее поверхности пространственного рельефа, имеющего определенный период. C помощью метода магнитных зарядов получено аналитическое решение задачи магнитостатики для синусоидального рельефа.
Литература
1. Tsidaeva N.I. et al. Magneto-Optical Investigation of Thin-Film Magnetic Structures. – Physica Scripta, 2013, vol. 157, DOI: 10.1088/0031-8949/2013/T157/014036.
2. Shalygina E., Rozhnovskaya A., Shalygin A. The Influence of Quantum Size Effects on Magnetic Properties of Thin-Film Systems. – Solid State Phenomena, 2012, vol. 190, pp. 514–517, DOI: 10.1088/0031-8949/2013/T157/014036.
3. Boero G. et al. Micro-Hall Devices: Performance, Technologies and Applications. – Sensors and Actuators A Physical, 2003, vol. 106 (1), pp. 314–320, DOI: 10.1016/S0924-4247(03)00192-4.
4. Kejik P. et al. An Integrated Micro-Hall Probe for Scanning Magnetic Microscopy. – Sensors and Actuators A Physical, 2006, vol. 129 (1-2), pp. 212–215, DOI: 10.1016/j.sna.2005.11.061.
5. Mohanraj D. et al. A Review of BLDC Motor: State of Art, Advanced Control Techniques, and Applications. – IEEE Access, 2022, vol. 10, pp. 54833–54869, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3175011.
6. Mahmud M. et al. Control BLDC Motor Speed using PID Controller. – IJACSA, 2020, vol. 11, No. 3, pp. 477–481, DOI: 10.14569/IJACSA.2020.0110359.
7. Бурмитских А.В., Клешнина С.А., Креков С.Д. Исследование магнитоимпеданса тонких пленок при ферромагнитном резонансе. – Современные проблемы радиоэлектроники. Красноярск, 2022, с. 534–538.
8. Беляев Б.А. и др. Особенности поведения магнитных характеристик вблизи краев тонких пермаллоевых пленок. – Известия вузов. Физика, 2020, т. 63, № 1, с. 17–23.
9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматлит, 2016, 656 с.
10. Jogschies L. et al. Recent Developments of Magnetoresistive Sensors for Industrial Applications. – Sensors, 2015, vol. 15, No. 11, pp. 28665–28689, DOI: 10.3390/s151128665.
11. Huai Y. Spin-Transfer Torque MRAM (STT-MRAM): Challenges and Prospects. – AAPPS Bulletin, 2008, vol. 18, No. 6, pp. 33–40.
12. Касаткин С.И., Васильева Н.П., Муравьёв А.М. Биосенсоры на основе тонкопленочных магниторезистивных датчиков. – Автоматика и телемеханика, 2010, вып. 1, с. 174–186.
13. Yuasa S. et al. Materials for Spin-Transfer-Torque Magnetoresistive Random-Access Memory. – MRS Bulletin, 2018, vol. 43 (05), pp. 352–357, DOI: 10.1557/mrs.2018.93.
14. Abrunhosa S. et al. Reading Thin Film Permanent Magnet Irregular Patterns Using Magnetoresistive Sensors. – Sensors and Actuators A Physical, 2020, vol. 303, Art. No. 111673, DOI: 10.1016/j.sna.2019.111673.
15. Wang C. et al. Highly Sensitive Magnetic Sensor Based on Anisotropic Magnetoresistance Effect. – IEEE Transactions on Magnetics, 2018, vol. 54 (11), DOI: 10.1109/TMAG.2018.2846758.
16. Ферт А. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники. – УФН, 2008, т. 178, № 12, с. 1336–1348.
17. Matsuura Y. Recent Development of Nd–Fe–B Sintered Magnets and Their Applications. – Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2006, vol. 303, No. 2, pp. 344–347, DOI: 10.1002/chin.200640222.
18. Marioni M.A. et al. Halbach Effect at the Nanoscale from Chiral Spin Textures. – Nano Letters, 2018, vol. 18, No. 4, pp. 2263–2267, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04802.
19. Пятаков М.А., Акимов М.Л., Поляков П.А. О пондеромоторной магнитной силе взаимодействия половинок однородно намагниченного цилиндрического стержня. – Ученые записки физического факультета Московского университета, 2023, № 4, с. 2341508-1–2341508-8.
20. Поляков О.П., Поляков П.А. Определение оптимальной формы постоянных магнитов заданного объема, при которой сила их магнитного сцепления максимальна. – Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2023, т. 89, № 10, с. 34–39.
21. Пятаков М.А., Акимов М.Л., Поляков П.А. Взаимодействие неоднородного постоянного магнита, состоящего из решетки магнитожестких полосок, с массивной ферромагнитной средой. – Известия РАН. Серия физическая, 2021, т. 85, № 11, с. 1568–1572.
22. Пятаков М.А., Поляков П.А., Русакова Н.Е. Изучение взаимодействия ферромагнетиков и расчет меры этого взаимодействия. – Известия РАН. Серия физическая, 2020, т. 84, № 5, с. 719–722.
---
Работа поддержана Фондом развития теоретической физики и математики «БАЗИС»
#
1. Tsidaeva N.I. et al. Magneto-Optical Investigation of Thin-Film Magnetic Structures. – Physica Scripta, 2013, vol. 157, DOI: 10.1088/0031-8949/2013/T157/014036.
2. Shalygina E., Rozhnovskaya A., Shalygin A. The Influence of Quantum Size Effects on Magnetic Properties of Thin-Film Systems. – Solid State Phenomena, 2012, vol. 190, pp. 514–517, DOI: 10.1088/0031-8949/2013/T157/014036.
3. Boero G. et al. Micro-Hall Devices: Performance, Technologies and Applications. – Sensors and Actuators A Physical, 2003, vol. 106 (1),pp. 314–320, DOI: 10.1016/S0924-4247(03)00192-4.
4. Kejik P. et al. An Integrated Micro-Hall Probe for Scanning Magnetic Microscopy. – Sensors and Actuators A Physical, 2006, vol. 129 (1-2), pp. 212–215, DOI: 10.1016/j.sna.2005.11.061.
5. Mohanraj D. et al. A Review of BLDC Motor: State of Art, Advanced Control Techniques, and Applications. – IEEE Access, 2022, vol. 10, pp. 54833–54869, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3175011.
6. Mahmud M. et al. Control BLDC Motor Speed using PID Controller. – IJACSA, 2020, vol. 11, No. 3, pp. 477–481, DOI: 10.14569/IJACSA.2020.0110359.
7. Burmitskih A.V., Kleshnina S.A., Krekov S.D. Sovremennye problemy radioelektroniki – in Russ. (Modern Problems of Radio Electronics). Krasnoyarsk, 2022, pp. 534–538.
8. Belyaev B.А. et al. Izvestiya vuzov. Fizika – in Russ. (News of Universities. Physics), 2020, vol. 63, No. 1, pp. 17–23.
9. Landau L.D., Lifshits Е.М. Elektrodinamika sploshnyh sred (Electrodynamics of Continuous Media). M.: Fizmatlit, 2016, 656 p.
10. Jogschies L. et al. Recent Developments of Magnetoresistive Sensors for Industrial Applications. – Sensors, 2015, vol. 15, No. 11, pp. 28665–28689, DOI: 10.3390/s151128665.
11. Huai Y. Spin-Transfer Torque MRAM (STT-MRAM): Challenges and Prospects. – AAPPS Bulletin, 2008, vol. 18, No. 6, pp. 33–40.
12. Kasatkin S.I., Vasil'eva N.P., Murav'yov А.М. Avtomatika i Telemekhanika – in Russ. (Automation and Telemechanics), 2010, iss. 1, pp. 174–186.
13. Yuasa S. et al. Materials for Spin-Transfer-Torque Magnetoresistive Random-Access Memory. – MRS Bulletin, 2018, vol. 43 (05), pp. 352–357, DOI: 10.1557/mrs.2018.93.
14. Abrunhosa S. et al. Reading Thin Film Permanent Magnet Irre-gular Patterns Using Magnetoresistive Sensors. – Sensors and Actuators A Physical, 2020, vol. 303, Art. No. 111673, DOI: 10.1016/j.sna.2019.111673.
15. Wang C. et al. Highly Sensitive Magnetic Sensor Based on Anisotropic Magnetoresistance Effect. – IEEE Transactions on Magnetics, 2018, vol. 54 (11), DOI: 10.1109/TMAG.2018.2846758.
16. Fert А. UFN – in Russ. (UFN), 2008, vol. 178, No. 12, pp. 1336–1348.
17. Matsuura Y. Recent Development of Nd–Fe–B Sintered Magnets and Their Applications. – Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2006, vol. 303, No. 2, pp. 344–347, DOI: 10.1002/chin. 200640222.
18. Marioni M.A. et al. Halbach Effect at the Nanoscale from Chiral Spin Textures. – Nano Letters, 2018, vol. 18, No. 4, pp. 2263–2267, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04802.
19. Pyatakov M.A., Akimov M.L., Polyakov P.А. Uchenye zapiski fizicheskogo fakul'teta Moskovskogo universiteta – in Russ. (Scientific Notes of the Faculty of Physics of the Moscow University), 2023, No. 4, pp. 2341508-1–2341508-8.
20. Polyakov O.P., Polyakov P.А. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov – in Russ. (Factory Laboratory. Diagnostics of Materials), 2023, vol. 89, No. 10, pp. 34–39.
21. Pyatakov M.A., Akimov M.L., Polyakov P.А. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. The Series Is Physical), 2021, vol. 85, No. 11, pp. 1568–1572.
22. Pyatakov М.А., Polyakov P.А., Rusakova N.Е. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. The Series Is Physical), 2020, vol. 84, No. 5,pp. 719–722.
---
The work was supported by the Foundation for the Development of Theoretical Physics and Mathematics "BASIS"
2. Shalygina E., Rozhnovskaya A., Shalygin A. The Influence of Quantum Size Effects on Magnetic Properties of Thin-Film Systems. – Solid State Phenomena, 2012, vol. 190, pp. 514–517, DOI: 10.1088/0031-8949/2013/T157/014036.
3. Boero G. et al. Micro-Hall Devices: Performance, Technologies and Applications. – Sensors and Actuators A Physical, 2003, vol. 106 (1), pp. 314–320, DOI: 10.1016/S0924-4247(03)00192-4.
4. Kejik P. et al. An Integrated Micro-Hall Probe for Scanning Magnetic Microscopy. – Sensors and Actuators A Physical, 2006, vol. 129 (1-2), pp. 212–215, DOI: 10.1016/j.sna.2005.11.061.
5. Mohanraj D. et al. A Review of BLDC Motor: State of Art, Advanced Control Techniques, and Applications. – IEEE Access, 2022, vol. 10, pp. 54833–54869, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3175011.
6. Mahmud M. et al. Control BLDC Motor Speed using PID Controller. – IJACSA, 2020, vol. 11, No. 3, pp. 477–481, DOI: 10.14569/IJACSA.2020.0110359.
7. Бурмитских А.В., Клешнина С.А., Креков С.Д. Исследование магнитоимпеданса тонких пленок при ферромагнитном резонансе. – Современные проблемы радиоэлектроники. Красноярск, 2022, с. 534–538.
8. Беляев Б.А. и др. Особенности поведения магнитных характеристик вблизи краев тонких пермаллоевых пленок. – Известия вузов. Физика, 2020, т. 63, № 1, с. 17–23.
9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматлит, 2016, 656 с.
10. Jogschies L. et al. Recent Developments of Magnetoresistive Sensors for Industrial Applications. – Sensors, 2015, vol. 15, No. 11, pp. 28665–28689, DOI: 10.3390/s151128665.
11. Huai Y. Spin-Transfer Torque MRAM (STT-MRAM): Challenges and Prospects. – AAPPS Bulletin, 2008, vol. 18, No. 6, pp. 33–40.
12. Касаткин С.И., Васильева Н.П., Муравьёв А.М. Биосенсоры на основе тонкопленочных магниторезистивных датчиков. – Автоматика и телемеханика, 2010, вып. 1, с. 174–186.
13. Yuasa S. et al. Materials for Spin-Transfer-Torque Magnetoresistive Random-Access Memory. – MRS Bulletin, 2018, vol. 43 (05), pp. 352–357, DOI: 10.1557/mrs.2018.93.
14. Abrunhosa S. et al. Reading Thin Film Permanent Magnet Irregular Patterns Using Magnetoresistive Sensors. – Sensors and Actuators A Physical, 2020, vol. 303, Art. No. 111673, DOI: 10.1016/j.sna.2019.111673.
15. Wang C. et al. Highly Sensitive Magnetic Sensor Based on Anisotropic Magnetoresistance Effect. – IEEE Transactions on Magnetics, 2018, vol. 54 (11), DOI: 10.1109/TMAG.2018.2846758.
16. Ферт А. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники. – УФН, 2008, т. 178, № 12, с. 1336–1348.
17. Matsuura Y. Recent Development of Nd–Fe–B Sintered Magnets and Their Applications. – Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2006, vol. 303, No. 2, pp. 344–347, DOI: 10.1002/chin.200640222.
18. Marioni M.A. et al. Halbach Effect at the Nanoscale from Chiral Spin Textures. – Nano Letters, 2018, vol. 18, No. 4, pp. 2263–2267, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04802.
19. Пятаков М.А., Акимов М.Л., Поляков П.А. О пондеромоторной магнитной силе взаимодействия половинок однородно намагниченного цилиндрического стержня. – Ученые записки физического факультета Московского университета, 2023, № 4, с. 2341508-1–2341508-8.
20. Поляков О.П., Поляков П.А. Определение оптимальной формы постоянных магнитов заданного объема, при которой сила их магнитного сцепления максимальна. – Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2023, т. 89, № 10, с. 34–39.
21. Пятаков М.А., Акимов М.Л., Поляков П.А. Взаимодействие неоднородного постоянного магнита, состоящего из решетки магнитожестких полосок, с массивной ферромагнитной средой. – Известия РАН. Серия физическая, 2021, т. 85, № 11, с. 1568–1572.
22. Пятаков М.А., Поляков П.А., Русакова Н.Е. Изучение взаимодействия ферромагнетиков и расчет меры этого взаимодействия. – Известия РАН. Серия физическая, 2020, т. 84, № 5, с. 719–722.
---
Работа поддержана Фондом развития теоретической физики и математики «БАЗИС»
#
1. Tsidaeva N.I. et al. Magneto-Optical Investigation of Thin-Film Magnetic Structures. – Physica Scripta, 2013, vol. 157, DOI: 10.1088/0031-8949/2013/T157/014036.
2. Shalygina E., Rozhnovskaya A., Shalygin A. The Influence of Quantum Size Effects on Magnetic Properties of Thin-Film Systems. – Solid State Phenomena, 2012, vol. 190, pp. 514–517, DOI: 10.1088/0031-8949/2013/T157/014036.
3. Boero G. et al. Micro-Hall Devices: Performance, Technologies and Applications. – Sensors and Actuators A Physical, 2003, vol. 106 (1),pp. 314–320, DOI: 10.1016/S0924-4247(03)00192-4.
4. Kejik P. et al. An Integrated Micro-Hall Probe for Scanning Magnetic Microscopy. – Sensors and Actuators A Physical, 2006, vol. 129 (1-2), pp. 212–215, DOI: 10.1016/j.sna.2005.11.061.
5. Mohanraj D. et al. A Review of BLDC Motor: State of Art, Advanced Control Techniques, and Applications. – IEEE Access, 2022, vol. 10, pp. 54833–54869, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3175011.
6. Mahmud M. et al. Control BLDC Motor Speed using PID Controller. – IJACSA, 2020, vol. 11, No. 3, pp. 477–481, DOI: 10.14569/IJACSA.2020.0110359.
7. Burmitskih A.V., Kleshnina S.A., Krekov S.D. Sovremennye problemy radioelektroniki – in Russ. (Modern Problems of Radio Electronics). Krasnoyarsk, 2022, pp. 534–538.
8. Belyaev B.А. et al. Izvestiya vuzov. Fizika – in Russ. (News of Universities. Physics), 2020, vol. 63, No. 1, pp. 17–23.
9. Landau L.D., Lifshits Е.М. Elektrodinamika sploshnyh sred (Electrodynamics of Continuous Media). M.: Fizmatlit, 2016, 656 p.
10. Jogschies L. et al. Recent Developments of Magnetoresistive Sensors for Industrial Applications. – Sensors, 2015, vol. 15, No. 11, pp. 28665–28689, DOI: 10.3390/s151128665.
11. Huai Y. Spin-Transfer Torque MRAM (STT-MRAM): Challenges and Prospects. – AAPPS Bulletin, 2008, vol. 18, No. 6, pp. 33–40.
12. Kasatkin S.I., Vasil'eva N.P., Murav'yov А.М. Avtomatika i Telemekhanika – in Russ. (Automation and Telemechanics), 2010, iss. 1, pp. 174–186.
13. Yuasa S. et al. Materials for Spin-Transfer-Torque Magnetoresistive Random-Access Memory. – MRS Bulletin, 2018, vol. 43 (05), pp. 352–357, DOI: 10.1557/mrs.2018.93.
14. Abrunhosa S. et al. Reading Thin Film Permanent Magnet Irre-gular Patterns Using Magnetoresistive Sensors. – Sensors and Actuators A Physical, 2020, vol. 303, Art. No. 111673, DOI: 10.1016/j.sna.2019.111673.
15. Wang C. et al. Highly Sensitive Magnetic Sensor Based on Anisotropic Magnetoresistance Effect. – IEEE Transactions on Magnetics, 2018, vol. 54 (11), DOI: 10.1109/TMAG.2018.2846758.
16. Fert А. UFN – in Russ. (UFN), 2008, vol. 178, No. 12, pp. 1336–1348.
17. Matsuura Y. Recent Development of Nd–Fe–B Sintered Magnets and Their Applications. – Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2006, vol. 303, No. 2, pp. 344–347, DOI: 10.1002/chin. 200640222.
18. Marioni M.A. et al. Halbach Effect at the Nanoscale from Chiral Spin Textures. – Nano Letters, 2018, vol. 18, No. 4, pp. 2263–2267, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04802.
19. Pyatakov M.A., Akimov M.L., Polyakov P.А. Uchenye zapiski fizicheskogo fakul'teta Moskovskogo universiteta – in Russ. (Scientific Notes of the Faculty of Physics of the Moscow University), 2023, No. 4, pp. 2341508-1–2341508-8.
20. Polyakov O.P., Polyakov P.А. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov – in Russ. (Factory Laboratory. Diagnostics of Materials), 2023, vol. 89, No. 10, pp. 34–39.
21. Pyatakov M.A., Akimov M.L., Polyakov P.А. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. The Series Is Physical), 2021, vol. 85, No. 11, pp. 1568–1572.
22. Pyatakov М.А., Polyakov P.А., Rusakova N.Е. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. The Series Is Physical), 2020, vol. 84, No. 5,pp. 719–722.
---
The work was supported by the Foundation for the Development of Theoretical Physics and Mathematics "BASIS"
