Προσομοίωση διαδικασίας μαγνήτισης με τεχνικές μικρομαγνητισμού - Στεφανή, Χριστίνα (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών, 2015)
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μια μέθοδος προσομοίωσης της ολικής μαγνήτισης ενός υλικού σε συνάρτηση με το επιβαλλόμενο εξωτερικό πεδίο, βασισμένη στη θεωρία του μικρομαγνητισμού. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των μαγνητικών ιδιοτήτων των υλικών και της μικροδομής τους είναι πολύπλοκη και δεν μπορεί να αντιμετωπισθεί πλήρως με τη θεωρία του μικρομαγνητισμού. Αντί αυτού, είναι αναγκαίο να εφαρμοσθούν αριθμητικές μέθοδοι, με σκοπό να καθοριστούν οι χαρακτηριστικές ιδιότητες του βρόχου υστέρησης ενός υλικού. Ο μικρομαγνητισμός είναι μια συνεχής θεωρία της μαγνητικής δομής των μαγνητικών υλικών, όπου το εξέχον χαρακτηριστικό είναι η ένταξη της μακροσκοπικής μαγνήτισης Μ(x) ως συστατικό της ελεύθερης ενέργειας. Σε στατικές περιπτώσεις, όπως αυτή που μελετάται στην παρούσα εργασία, το M(x) προσδιορίζεται με ελαχιστοποίηση της ολικής ενέργειας του υλικού. Θεωρήθηκε μια διάταξη Μ x Ν κελιών, όπου κάθε κελί αναπαριστά ένα ατομικό δίπολο. Μια τέτοια διάταξη προσεγγίζει επαρκώς τη συμπεριφορά μαγνητικών περιοχών. Η συνολική ενέργεια που προκύπτει από την τοπολογία της μαγνήτισης M, είναι το άθροισμα τριών συνιστωσών: ενέργεια ανισοτροπίας, ενέργεια εξωτερικού πεδίου και ενέργεια μέσου πεδίου, ή αλλιώς, ενέργεια απομαγνήτισης. Έχει αναπτυχθεί ένας υπολογιστικός κώδικας, ο οποίος, ελαχιστοποιώντας κάθε φορά την ολική ενέργεια του συστήματος, προβλέπει τη μαγνητική του διαμόρφωση. Εκτός από την κατάλληλη μορφή της ολικής ενέργειας, η οποία αναφέρθηκε παραπάνω, είναι σημαντικό να εισαχθούν και συνοριακές συνθήκες για να εξασφαλιστεί η σωστή μορφή των ενεργειακών όρων στα όρια της επιφάνειας του υλικού. Ως δεδομένα εισάγονται κάποιες ιδιότητες του υλικού, όπως η μαγνήτιση κορεσμού, η σταθερά ανισοτροπίας, το μέτρο του διανύσματος της ολικής μαγνήτισης και το εφαρμοζόμενο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Όσον αφορά τη συνεισφορά του κάθε όρου της ενέργειας στην ολική ενέργεια, έγιναν οι εξής παρατηρήσεις. Οι τοπικοί όροι ενέργειας, δηλαδή η ενέργεια ανισοτροπίας και η ενέργεια εξωτερικού πεδίου, αφορούν μόνο τα γειτονικά δίπολα και είναι εύκολα υπολογίσιμοι. Σε αντίθεση, ο όρος απομαγνήτισης του υλικού αποτελεί έναν μη τοπικό όρο ενέργειας, Συνεπώς, απαιτείται εκτενέστερη μελέτη και κατάλληλες συνοριακές 3 συνθήκες ώστε να υπολογιστεί πλήρως η συνεισφορά του, τόσο σε ολόκληρο τον όγκο του υλικού, όσο και στις οριακές επιφάνειες. Στη συνέχεια, η διαδικασία υπολογισμού επαναλήφθηκε, για διαφορετικές τιμές της σταθεράς ανισοτροπίας του υλικού, με σκοπό να ελεγχθεί είτε, πως η αλλαγή ανισοτροπίας σε ένα υλικό, επηρεάζει το βρόχο υστέρησης, είτε τις διαφορές των βρόχων υστέρησης υλικών με διαφορετική ανισοτροπία. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν αποδεικνύουν ότι με αύξηση της ανισοτροπικής σταθεράς, ο βρόχος υστέρησης παρουσιάζει ολοένα αυξανόμενη κλίση σε σχέση με τον οριζόντιο άξονα μαγνήτισης του υλικού. Μόνο από υλικά όπως ο προσανατολισμένος χάλυβας, με μικρή ανισοτροπική σταθερά, παρουσιάζει βρόχο υστέρησης συμμετρικό ως προς τον άξονα της μαγνήτισης. Τέλος, η αλλαγή της ανισοτροπίας, δεν επηρεάζει το συνεκτικό πεδίο, ούτε την μαγνήτιση κορεσμού του υλικού.