Форма катушек для магнитных исследований

Очень полезная статья по форме катушек лежит тут: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4986047, полнотекстовый препринт тут: https://arxiv.org/abs/1710.06779. 

Статья посвящена испытаниям катушек разной формы для ЯМР исследований полупроводниковых тонких пленок.

Изображения катушек разной формы: a) solenoid, b) flat solenoid, and c) spiral surface coil. (рисунки отсюда)

Величина отклика от образца при использовании катушек разной формы (рисунки отсюда)

Но такие катушки можно использовать не только для ЯМР исследований. Их можно использовать также для измерения магнитной восприимчивости на переменном токе (AC Measurement of Magnetic Susceptibility).

В интернете есть лекция об измерениях магнитной восприимчивости на переменном токе, и для измерения восприимчивости используется ЭДС индукции во вторичной обмотке тороидального образца, на первичную обмотку которого подается слабый переменный ток.

Ссылка на лекцию здесь: на 1-ю часть и на 2-ю часть. 

В этих лекциях описаны измерения магнитополевой зависимости восприичивости. Но также изменяют и зависимость восприимчивости от температуры, как описано здесь: https://qdusa.com/siteDocs/appNotes/1078-201.pdf

Есть и другой способ измерения магнитной восприимчивости на переменном поле, так называемый автогенераторный (автодинный, параметрический) метод. В котором измеряется частота колебательного контура. Частота пропорциональна индуктивности колебательного контура, а если в индуктивности находится магнитный образец, то и магнитной восприимчивости этого образца. Для ферромагнетиков магнитная восприимчивость меняется от величины внешнего постоянного магнитного поля и, таким образом, измеряя частотную зависимость контура с образцом, на который наложено медленно меняющееся магнитное поле, можно измерить полевую магнитную восприимчивость. Такого рода измерительные установки известны не так хорошо известны, но существуют. Имеется, например, авторское свидетельство СССР № 819766, с которым можно ознакомиться здесь: https://yandex.ru/patents/doc/SU819766A1_19810407

Измеренные магнитополевые зависимости восприимчивости имеет вид кривых Столетова и выглядят как на рисунке ниже:

Изображение магнитополевой зависимости дифференциальной восприимчивости (рисунок взят из: Amália Iványi. HYSTERESIS MODELS IN ELECTROMAGNETIC COMPUTATION // November 2017. Publisher: Akadémiai Kiadó, Budapest // ISBN: 9630574160  ссылка )

Кривые Столетова взятые из его диссертации (см. Столетов А.Г. Собрание сочинений. Том 1. стр. 146)

В отличие от привычной кривой Столетова, как принято приводить во всех учебниках по магнетизму, эта зависимость симметричная и имеет гистерезис. Дело в том, что в учебниках приводится зависимость для исходно размагниченного образца. Зависимость не является симметричной и отсутствует гистерезис, при первом "прогоне" по магнитному по полю. Гистерезис появляется при измерениях, когда магнитное поле уменьшают в отрицательную сторону, а при повторном "прогоне" от отрицательных значений, до положительных зависимость становится симметричной. Как видно коэрцитивная сила определяется по положению максимума зависимости.

Если эти кривые проинтегрировать, то можно построить привычный всем магнитных гистерезис, по которому можно определить намагниченность насыщения или наклон намагниченности (отклонение от легкого намагничивания, анизотропию).

Но вернемся к формам катушек. Совершенно ясно, что для исследования магнитных свойств пленочных и плоских образцов высокой чувствительностью будет обладать катушка spiral surface coil, за счет высокого коэффициента заполнения. Также такую катушку называют "плоская катушка в виде улитки", как например в http://www.mathnet.ru/links/ab3144ecdb2ace2fc9d2b001d095c8ed/jetpl208.pdf .

Для измерений частоты и других параметров колебательного контура подходят микросхемы которые предлагает на рынке компания Texas Instruments. Такие микросхемы являются высокоскоростными индуктивно-цифровыми преобразователями, которые способны на большой скорости оцифровывать данные получаемые с контура. Познакомится с одной из такой микросхем можно по ссылке:  http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ldc1101.pdf