Lecture 1. Fundamentals of Magnetism

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Lecture 1. Fundamentals of Magnetism"

Ludwik Kalinowski
6 lat temu
Przeglądów:

1 Lecture 1 Fundamentals of Magnetism

4 Magnetic domain image of iron from Principia Rerum Naturalium (1734) given by E.Swedenborg Magnetized state of Fe Demagnetized state of Fe

7 Definitions of magnetic fields r Induction: B μ ( H + M ) = External magnetic field: Magnetization r M r H average magnetic moment of magnetic material Susceptibility χ tensor representing anisotropic material B M = χ H ( χ + ) = μ H 1 = μ H where: μ = μ ( 1+ χ ) permability of the material

9 Maxwell s equations r r r o B = divb = r r r r H = roth = j r r H o dl = i l r r r r B E = rote = t r r r r E o dl = B o ds t S = φ = U t H = i 2πr [A/m] [oe] [oe] H = in l [A/m]

10 r H d r = NM Demagnetization field when magnetic materials becomes magnetized by application of external magnetic field, it reacts by generating an opposing field. To compute the demagnetization field, the magnetization at all points must be known. ρ m r r = o M dh H =.2s / dm = dx r = x + 4πρ dv 2 r dm dy y + dm dz z [emu/cm 4 ] The magnetic field caused by magnetic poles can be obtained from: The fields points radially out from the positive or north poles of long line. The s is the pole strength per unit length [emu/cm 2 ] [oe= emu/cm 3 ]

12 Demagnetization field poles density, magnetic charge density o r r B μ M μ = o M = ρ m

13 xx yx zx xy yy zy xz yz zz Demagnetization tensor N For ellipsoids, the demagnetization tensor is the same at all the points within the given body. The demagnetizing tensors for three cases are shown below: 4π 4π /3 4π /3 4π /3 The flat plate has no demagnetization within its x-y plane but shows a 4π demagnetizing factor on magnetization components out of plane. A sphere shows a 4/3 π factor in all directions. A long cylinder has no demagnetization along its axis, but shows 2π in the x and y directions of its cross sections. H total = H S H D 2π 2π H S - the solenoid field

14 (4π)

17 Electron spin Orbital momentum Magnetic moment of electron L r r r r 2 L = p L = rmv = r mω μ = i S = L ω = 2π T e πr T μ 2 L = 2 eπr ω 2π r μ p r L i μ μ L L L e = 2m eh = l( l 4πm h L = l( l 2π + 1) + 1)

19 B Electron Spin The magnetic moment of spining electron is called the Bohr magneton μ eh = 4 π m = emu 3d shells of Fe are unfilled and have uncompensated electron spin magnetic moments when Fe atoms condense to form a solid-state metallic crystal, the electronic distribution (density of states), changes. Whereas the isolated atom has 3d: 5+, 1-; 4s:1+, 1-, in the solid state the distribution becomes 3d: 4.8+, 2.6-; 4s:.3+,.3-. Uncompensated spin magnetic moment of Fe is 2.2 μ B.

20 Electron spin

21 Exchange coupling The saturation of magnetization M S for body-centered cubic Fe crystal can be calculated if lattice constant a=2.86 Å and two iron atoms per unit cell. M 2 2.2μB S T = ) = = 8 3 ( 17emu / cm ( ) 3

24 Magnetyczny (analogowy) zapis dźwięku T. Edison nagranie i odtworzenie dźwięku z woskowego cylindra zapis niemagnetyczny V. Poulsen telegrafon zapis na drucie stalowym (Φ = 1mm) prędkość zapisu 2m/s. 19-Prezentacja telegrafonu na Światowej Wystawie w Paryżu. Lata dwudzieste XX wieku -L. Blattner Blattnerphone - zapis na taśmie stalowej (grubość.5mm, szer. 3mm) prędkość zapisu 1m/s F. Pflumer zapis na taśmie papierowej pokrytej klejem z opiłkami żelaza (Stanisław Stobiecki miał 24 lata). Lata trzydzieste XX wieku -BASF pierwsze taśmy z tworzyw sztucznych pokryte tlenkami żelaza.

25 Historia pierwszy zapis dźwięku 1898 Valdemar Poulsen Nośnik informacji struna fortepianowa (drut stalowy). Zapis magnetyczny Fala dźwiękowa Głowica zapisu Elektromagnes Mikrofon bla bla. la.. 2 m/s Sygnał elektryczny

Odczyt informacji (głowica indukcyjna) : Do odczytu informacji wykorzystywane jest zjawisko indukcji magnetycznej generowanie siły elektromotorycznej w obwodzie prądu pod wpływem zmian

26 Odczyt informacji (głowica indukcyjna) : Do odczytu informacji wykorzystywane jest zjawisko indukcji magnetycznej generowanie siły elektromotorycznej w obwodzie prądu pod wpływem zmian strumienia magnetycznego przecinania linii sił rozproszonego pola magnetycznego pochodzącego od różnie zorientowanych magnetycznie obszarów. Głowica odczytu Elektromagnes Głośnik Bla bla... 2 m/s

29 Jak zwiększyć gęstość zapisu informacji? Zastąpić materiał lity (stalowy drut lub taśmę) drobinami materiału ferromagnetycznego naniesionymi na niemagnetyczne podłoże (wpierw papier później tworzywa sztuczne taśmy magnetofonowe).

30 Pierwsze magnetofony firmy AEG prezentowane na światowej wystawie sprzętu radiowego (Berlin 1935). In the early 193s researchers at the Ludwigshafen works created a sensation with another pioneering invention: the Magnetophon, which had been developed in cooperation with AEG. It was presented at the Berlin Radio Exhibition in 1935.

31 Magnetyczny zapis w informatyce Zapis binarny (, 1) kierunek namagnesowania / 35 nm szer. -H C 1 M H C H zapis 45 nm długość 2 nm dysk odczyt Gęstość zapisu przy podanych rozmiarach bitów wynosi około 3Gbit/inch 2. Warunek stabilności pole koercji (pole potrzebne do przemagnesowania) materiału ferromagnetycznego H C musi być dostatecznie duże im węższe bity tym większe musi być pole H C Im większe pole H C tym trudniej zapisać informację wymagane są bardzo małe odległości pomiędzy głowicą zapisu i dyskiem (obecnie.1μm, większe wartości prądu płynące przez elektromagnes... 1nm = 1-9 m 1nm = 1-6 mm 1nm =.1mm 1Å = 1-7 mm

32 Dążymy do uzyskania maksymalnej gęstości zapisu!!!!!!! Co oznacza gęsty zapis? Bity obszary o namagnesowaniu / powinny mieć jak najmniejszą długość i szerokość. Szerokość bitu Długość bitu Co ogranicza gęstość zapisu? Nośnik informacji materiał magnetyczny Zapis informacji głowica zapisu Odczyt informacji głowica odczytu

33 History of HDD 1956 HDD of IBM, random access method of accounting and control (RAMAC) 198 induction thin film head 199 write induction coil, read AMR sensor 1996 GMR sensor

34 Areal data storage density vs. time for inductive and MR read heads

35 Disc drive The slider carrying the magnetic write/read head. The slider is mounted on the end of head gimbal assembly (HGA) The magnetic disks (up to 1) in diameter inches RPM it is related to about 1 km/h The air-bearing surface (ABS) allowing the head to fly at a distance above the medium about 1 nm

36 Write/read head of HDD

37 Inductive write head The yoke consists of structured Ni 81 Fe 19 (permalloy) films P 1 and P 2.These films are all deposited on the top of substrate which consists of insulators (Al 2 O 3 and TiC). The gap width is defined by the thickness of Al 2 O 3 insulation layer between P 1 and P 2 hich is below 1 nm. Micrograph of the write/read head taken by SEM from the ABS side.

40 Aim for application Magnetic properties optimization of ML (Fe 97 Al 3 ) 85 N 15 /Al 2 O 3 for shields and poles of HDD heads

41 SEM cross section of the head

42 Schematic representation of a longitudinal recording process Magnetic force micrograph (MFM)of recorded bit patterns. Track width is 35 nm recorded in antiferromagnetic coupled layers (AFC media)

Podobne dokumenty

Lecture 1. Fundamentals of Magnetism

Lecture 1. Fundamentals of Magnetism Lecture 1 Fundamentals of Magnetism Magnetic domain image of iron from Principia Rerum Naturalium (1734) given by E.Swedenborg Magnetized state of Fe Demagnetized state of Fe Definitions of magnetic