ГЛАВА 8. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ГИРОМАГНИТНЫХ СРЕД

8.1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ГИРОМАГНИТНОЙ СРЕДЫ

8.1.1. Дисперсия и поглощение

Гиромагнитной средой называется такая среда, характер распространения электромагнитных волн в которой зависит от приложенного постоянного магнитного поля [6,85, 398]. Взаимодействие высокочастотного магнитного поля с вращающимся электроном приводит к ярко выраженной дисперсии как магнитной, так и диэлектрической проницаемостей. Спин электрона связан, как показано на рис. 8.1, с магнитным и механическим моментами. Этим моментам соответствуют противоположно направленные векторы и При этом ось спина направлена в среднем вдоль вектора Если мгновенно сместить ось спина, она начнет прецессировать около первоначального направления, как в гироскопе. Частота прецессии будет пропорциональна

Тормозящий момент [47, 198, 215]

где параметр к характеризует затухание, обусловленное магнитными потерями, стремится восстановить первоначальное положение.

Если в плоскости, перпендикулярной направлению приложить переменное магнитное поле с круговой поляризацией соответствующего вращения, то возникнут колебания конического угла прецессии. При близости частот высокочастотного поля и прецессии наблюдается резонанс. Если высокочастотное поле в среде однородно и все взаимодействия между моментами пренебрежимо малы, можно заменить общей намагниченностью М.

Поглощение и дисперсия в гиромагнитных средах были впервые проанализированы Полдерои 1274], который применил классическое уравнение движении вектора намагниченности

причем внутри среды

В бесконечной среде без потерь, намагниченной до насыщения, переменные составляющие связаны соотношениями

Рис. 8. 1. Прецессия электрона. На рисунке изображен магнитный момент, действующий на электрон, прецессирующий в постоянном магнитном поле под действием высокочастотного переменного поля.

В этом случае магнитная проницаемость является тензорной величиной. Соотношения (8.3) можно записать в форме

где тензор относительной проницаемости задается матрицей

Диагональные составляющие находятся из формулы

а недиагональные даются выражением

Тензорная форма уравнения [8.3] указывает на то, что высокочастотное магнитное поле приложенное по оси х, порождает составляющие индукции как по оси х, так и по оси у. Следовательно, х - компонента тензора проницаемости — играет роль коэффициента связи, который описывает переход высокочастотной мощности от волны с одной поляризацией в волну с поляризацией, ортогональной исходной.

На рис. 8.2 представлены составляющие тензора как функции от приложенного магнитного поля [379]. Из равенств (8.6) и (8.7)

следует, что эти компоненты испытывают резонанс при внутреннем поле, равном Например, на частоте резонанс наступает при величине поля в . Когда среда пенасыщена, выражения для составляющих тензора аналогичны [286] формулам (8.6) и (8.7), однако в области дисперсии эти формулы неточны. При наличии потерь уравнение (8.2) принимает вид

и оценка [166] показывает, что в этом случае компоненты тензора являются комплексными величинами.

Рис. 8. 2. Тензор проницаемости как функция приложенного магнитного поля. Параметром кривой является (См. [379].)

Для малых углов прецессии постоянная затухания может быть выражена следующим образом:

где феноменологическое время релаксации и половина ширины резонансной линии.

При конечной протяженности среды необходимо учитывать эффекты размагничивания. Для того чтобы внутри среды образовалось поле направленное по необходимо приложить внешнее поле

Кроме того, наличне высокочастотного магнитного поля вызывает поперечное размагничивание, так что при отсутствии потерь нормированное условие резонанса приводится к виду [165, 188, 406]

Факторы размагничивания для различных форм образцов табулированы 155, 264, 3741. Например, для сферы

для длинного цилиндра

для тонкого диска

Были также исследованы электромагнитные поля в эллипсоиде [445].