[an error occurred while processing this directive]
Контрольная по физике Популярные http://galopolitica.ru языке казино вулкан одно из самых. Биполярный транзистор Расчёт электрических фильтров Типовые задачи с решениями Схема мостового выпрямителя с фильтром Расчет однофазного трансформатора

Курсовая по электронике Проектирование электронных устройств Типовые задачи

Сверхтонкое взаимодействие электронов и ядерных спинов

Сверхтонкое взаимодействие электронных и ядерных спинов имеет, как и спин-орбитальное взаимодействие, релятивистскую природу. Для полупроводников оно предоставляет дополнительную, по сравнению с металлами, возможность управлять спином электрона не только внешним магнитным полем, но и полем ядер атомов, находящихся в решетке полупроводника. А. Оверхаузер описал взаимодействие электронных и ядерных спинов в конденсированном веществе, исходя из контактного взаимодействия между ними в изолированных атомах сверхтонкое взаимодействие Ферми. Его можно представить в виде

,

где  – дельта функция Дирака, суммирование осуществляется по положениям  всех атомных ядер со спинами , g – гиромагнитное отношение для электрона, А – константа СТВ. Это взаимодействие эквивалентно сущест­вованию долгоживущего мощного магнитного поля  (поле Оверхаузера), действующего на электронный спин S со стороны поляризованных по спину ядер, распределенных в некоторой области материала. В полупроводниках времена спиновой релаксации ядер весьма велики (102 – 103 с при гелиевых температурах) и намного превышают время спиновой релаксации электронов (~ 10 – 7 с). Это означает, что ядерная деполяризация протекает медленнее по сравнению с электронной. Величина поля Оверхаузера может быть большой, она зависит от типа атомов (через константу СТВ А) и степени поляризации ядерных спинов. В связи с важностью СТВ электронных спинов с ядерными можно выделить в отдельную ветвь ядерную спинтронику. Вместо электронного спина можно использовать спин атомных ядер. В принципе можно создать устройство, в котором свет переносит информацию к ядрам через электроны. Такая ядерная память будет на много порядков плотнее и быстрее, чем традиционная запись информации на полупроводниках. Возможно объединение электроники, фотоники и магнетизма в спиновую фотонику для создания приборов, работающих на частотах порядка терагерц.

2.3.Магнитные материалы

Магнитные материалы – не новость их давно используют. Существует много приборов, основанных на магнитных материалах. В основном это устройства магнитной памяти. Магнитные материалы в других областях микроэлектроники не получили широкого распространения т.к. обычная электроника работает со статистическим ансамблем электронов, а следовательно работают законы статистики и классической физики. Уменьшение размеров приводит к появлению размерных эффектов, начинает проявляться принцип неопределенности.

2.3.1.Основные характеристики

Все вещества в природе являются магнетиками, т. е. обладают определенными магнитными свойствами и взаимодействуют с внешним магнитным полем. Магнитные свойства различных материалов объясняются движением электронов в атомах, а также тем, что электроны и атомы имеют постоянные магнитные моменты. Вращательное движение электронов вокруг ядер атомов аналогично действию некоторого контура электрического тока и создает магнитное поле. Магнитный момент, создаваемый магнитным полем, является векторной величиной, направлен от южного полюса к северному и называется орбитальным. Электрон имеет магнитный момент, который называется спиновым.

Атом представляет собой сложную магнитную систему, магнитный момент которой является результирующей всех магнитных моментов электронов, протонов и нейтронов. Так как магнитные моменты протонов и нейтронов существенно меньше магнитных моментов электронов, магнитные свойства атомов по существу определяются магнитными моментами электронов. У имеющих техничёское значение материалов это прежде всего спиновые магнитные моменты.

Магнитные свойства материалов определяются:

магнитной восприимчивостью на единицу объема χ = М/Н (где М – магнитный момент единицы объема, или намагниченность; Н – внешнее магнитное поле, А/м в СИ);

относительной магнитной проницаемостью μ = В/μ̣̣̣̣̣̣̣БН (где В – магнитная иидукция, Тл; μБ – магнитная постоянная, равная 4 π · 10 -7 Гн/м);

температурой (точкой) Кюри, при нагреве до которой они переходят в парамагнитное состояние, т. е. теряют магнитные свойства.

Кроме того, магнитные свойства материалов характеризуются зависимостью магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н, называемой кривой намагничивания. Во многих случаях для получения кривой намагничивания в качестве исходного принимают размагниченное состояние вещества, при котором в отсутствие внешнего магнитного поля индукция равна нулю. При цикличном перемагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса (рис. 2).

Основными характеристиками петли гистерезиса являются остаточная индукция Вг, коэрцитивная сила Нс и площадь, характеризующая потери на гистерезис. Остаточная индукция Вг – это индукция, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного поля. Коэрцитивная сила Нс – это размагничивающее поле, которое должно быть приложено к предварительно намагниченному образцу, чтобы его индукция стала равной нулю.

Форма петли гистерезиса конкретного материала зависит от максимальной напряженности магнитного поля. При слабых полях она имеет форму эллипса, а с увеличением поля у нее начинают вытягиваться «носики», соответствующие точкам А1 и А2. Некоторыё магнитные материалы специального назначения имеют прямоугольную петлю гистерезиса (ППГ).

В зависимости от магнитных свойств, все материалы можно разделить на три группы: диамагнетики, парамагнетики и обладающие упорядоченной магнитной структурой.

2.3.2. Пара-, Диа-,Ферро- магнетики

Диамагнитные материалы состоят из атомов, не имеющих магнитного момента, т. е. все магнитные моменты частиц в которых скомпенсированы. Магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна, по абсолютному значению очень мала и не зависит ни от температуры, ни от напряженности магнитного поля. Диамагнетиками являются все инертные газы, водород, большинство органических материалов, вода, некоторые металлы (например, Сu, Zn, Аg, Аu, Ве, РЬ, Нg) и полупроводники (например, Sе, Si, Gе).

Парамагнитные материалы отличаются тем, что, хотя их атомы и имеют магнитные моменты, они неупорядочены, пока материал не находится в магнитном поле. Так, внешне парамагнетики проявляют себя как немагнитные материалы. Под действием магнитного поля магнитные моменты атомов этих материалов ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его. Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, имеет значение от 10-5до 10-2 и независит от напряженности внешнего магнитного поля, но на нее значительно влияет температура. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков всегда больше единицы. К пара­магнетикам относят кислород, некоторые металлы (например, А1, Сr, Na, Мg, Та, Рt, W), их оксиды (например, СаО, Сг2О3, СuО).

Вещества с упорядоченной магнитной структурой отличаются тем, что обладают суммарным макроскопическим магнитным моментом даже при отсутствии внешнего магнитного поля. Магнитная восприимчивость их велика, положительна и сложным образом зависит от температуры и магнитного поля.

Диамагнитными и парамагнитными свойствами обладают вещества любых состояний (газ, жидкость, твердые тела). Только кристаллические вещества имеют магнитоупорядоченные структуры. В магнитном отношении кристаллы анизотропны, т. е. их свойства неодинаковы в различных кристаллографических направлениях, что определяет наличие осей легкого и трудного намагничивания. Степень анизотропии магнитных свойств зависит от совершенства кристаллической решетки. Кристаллы совершенной структуры (монокристаллы) отличаются большой анизотропией, а поликристаллические материалы являются изотропными, т. е. их магнитные свойства одинаковы во всех направлениях.

Магнитные материалы (как металлы, так и диэлектрики) широко используются в современной технике: энергетике, электротехнике, электронике, вычислительной технике, технике связи. Особое место занимают вещества высокой магнитной проницаемости – магнитные диэлектрики – ферриты. Так как эти вещества обладают большим удельным электрическим сопротивлением, а следовательно, малыми потерями на вихревые токи, их можно применять на очень высоких частотах. Ферриты представляют собой системы из оксидов железа и оксидов двухвалентных (реже – одновалентных) металлов, соответствующие общей формуле МеО · Fе2О3 (где Ме – двухвалент­ный металла). Многие ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку, подобную решетке шпинели (МgО · А12O3).

Ферриты, обладающие наиболее интересными магнитными свойствами, представляют собой, как правило, твердые растворы нескольких простейших соединений, в том числе и немагнитных. Так, общая формула широко распространенных никель-цинковых ферритов имеет вид g NiО · Fе2О3 + n ZnО · Fе2О3 + р FеО · Fе2О3 (где коэффициенты g, n, р – количествен­ные соотношения между компонентами).

Для ферритов характерны следующие два обстоятельства. Во-первых, даже при отсутствии внешнего поля энергетически выгодно антипараллельное расположение спиновых магнитных моментов соседних атомов или ионов ферритов. При этом суммарный магнитный момент не равен нулю. Следовательно, при отсутствии внешнего поля ферриты находятся в состоянии спонтанного (самопроизвольного) намагничивания.

Во-вторых, в ферритах имеется доменная структура. Под доменом понимают локальную область объема феррита, которая находится в состоянии спонтанного намагничивания, т. е. без действия внешнего магнитного поля. При этом направления магнитных моментов всех доменов равновероятны.

Домены разделены между собой граничными стенками, в которых происходит постепенное изменение направления намагниченности одного домена по отношению к направлению намагниченности другого соседнего. Реальные площади доменов некоторых ферритов составляют от 0,001 до 0,1 мм2 при толщине граничных стенок между ними несколько десятков – сотен атомных расстояний. Размеры доменов особо чистых материалов могут быть больше.

Существование доменов можно проверить экспериментально. Если соединить телефон через усилитель с катушкой, охватывающей феррит, и медленно его перемагничивать, можно различать отдельные щелчки, связанные со скачкообразным изменением индукции. На полированной поверхности намагниченного образца феррита можно обнаружить узоры, образующиеся при осаждении тончайшего ферромагнитного порошка на границах отдельных доменов.

Доменная структура оказывает сильное влияние на магнитные характеристики ферритов, что можно объяснить, рассмотрев их кривую намагничивания (рис. 3, а). Возрастание Индукции под действием поля обусловлено двумя основными процессами: смещением границ доменов и поворотом их магнитных моментов. Кривую намагничивания можно разбить на четыре области: I и II – обратимого и необратимого смещения доменных границ; III – вращения магнитных моментов доменов; IV – насыщения.

Ориентация спинов в доменах при отсутствии магнитного поля показана на рис. 3, б. При слабых полях (рис. 3, в) увеличивается объем доменов, магнитные моменты которых образуют наименьший угол с направлением внешнего поля. После снятия слабого поля доменные границы возвращаются в исходное положение. При сильных полях (рис. 3, г) смещение доменных границ носит необратимый, скачкообразный характер, и кривая намагничивания при этом имеет наибольшую крутизну. С ростом внешнего поля возрастает роль второго механизма намагничивания – механизма вращения, т. е. магнитные моменты доменов постоянно поворачиваются в направлении поля. Когда все магнитные моменты доменов сориентируются вдоль поля, наступает насыщение намагниченности (рис. 3, д).

В зависимости от размеров феррита, его физических свойств и других причин существуют различные доменные структуры: однодоменные, полосовые, лабиринтные, цилиндрические и др.


Двухкаскадный усилитель с RC-связью