An accurate analytical equation for the total energy in the framework of the single domain model is used to study the thermal stability of nanostructured synthetic ferrimagnets. Elliptical cells are considered that have lateral dimensions of 160 nm (long axis)$\times$80 nm (short axis) and varying values of thickness asymmetry for the two magnetic layers. The direction of the applied magnetic field, which points to the $45^{\circ}$ direction, is in the opposite direction to the thicker layer magnetization. A significant difference is observed in the applied magnetic field dependencies of the equilibrium magnetic configuration and the magnetic energy barrier when using the simplifying assumption that the self-demagnetizing field is identical in magnitude to the dipole field. At a small thickness asymmetry of 0.2 nm, for example, the magnetic energy barrier is reduced from 68 kT (T=300 K) to 6 kT at the remanent state and a progressive switching behavior changes into a critical behavior, as the simplifying assumption is used. The present results clearly demonstrate the need for an accurate analytical equation for the total energy in predicting the thermal stability of nanostructured synthetic ferrimagnets.
We investigate the field-dependence of energy barrier for various cell diameters and two type of geometry through the NEB method. We find that the energy barrier can depend strongly on the cell size when the switching is governed by the domain wall motion. Moreover we also examine the cell size dependence of energy barrier for two type of cell geometry. In the presentation, we will discuss the effect of domain wall formation and more various cell size on the energy barrier in detail.
The temperature dependence of the effective magnetic anisotropy constant K(T) of ferrite nanoparticles is obtained based on the measurements of SQUID magnetometry. For this end, a very simple but intuitive and direct method for determining the temperature dependence of anisotropy constant K(T) in nanoparticles is introduced in this study. The anisotropy constant at a given temperature is determined by associating the particle size distribution f(r) with the anisotropy energy barrier distribution $f_A(T)$. In order to estimate the particle size distribution f(r), the first quadrant part of the hysteresis loop is fitted to the classical Langevin function weight-averaged with the log?normal distribution, slightly modified from the original Chantrell's distribution function. In order to get an anisotropy energy barrier distribution $f_A(T)$, the temperature dependence of magnetization decay $M_{TD}$ of the sample is measured. For this measurement, the sample is cooled from room temperature to 5 K in a magnetic field of 100 G. Then the applied field is turned off and the remanent magnetization is measured on stepwise increasing the temperature. And the energy barrier distribution $f_A(T)$ is obtained by differentiating the magnetization decay curve at any temperature. It decreases with increasing temperature and finally vanishes when all the particles in the sample are unblocked. As a next step, a relation between r and $T_B$ is determined from the particle size distribution f(r) and the anisotropy energy barrier distribution $f_A(T)$. Under the simple assumption that the superparamagnetic fraction of cumulative area in particle size distribution at a temperature is equal to the fraction of anisotropy energy barrier overcome at that temperature in the anisotropy energy barrier distribution, we can get a relation between r and $T_B$, from which the temperature dependence of the magnetic anisotropy constant was determined, as is represented in the inset of Fig. 1. Substituting the values of r and $T_B$ into the $N{\acute{e}}el$-Arrhenius equation with the attempt time fixed to $10^{-9}s$ and measuring time being 100 s which is suitable for conventional magnetic measurement, the anisotropy constant K(T) is estimated as a function of temperature (Fig. 1). As an example, the resultant effective magnetic anisotropy constant K(T) of manganese ferrite decreases with increasing temperature from $8.5{\times}10^4J/m^3$ at 5 K to $0.35{\times}10^4J/m^3$ at 125 K. The reported value for K in the literatures is $0.25{\times}10^4J/m^3$. The anisotropy constant at low temperature region is far more than one order of magnitude larger than that at 125 K, indicative of the effects of inter?particle interaction, which is more pronounced for smaller particles.
This work investigates the mechanical energy harvesting from smart and adaptive devices using magnetic interactions. The energy harvester is built from an elastic beam connected to an electric circuit by a magnetostrictive material that promotes energy transduction. Besides, magnetic interactions define the system stability characterizing multistable configurations. The adaptiveness is provided by magnets that can change their position with respect to the beam, changing the system configuration. A mathematical model is proposed considering a novel model to describe magnetic interactions based on the single-point magnet dipole method, but employing multiple points to represent the magnetic dipole, which is more effective to match experimental data. The adaptive behavior allows one to alter the system stability and therefore, its dynamical response. A nonlinear dynamics analysis is performed showing the possibilities to enhance energy harvesting capacity from the magnet position change. The strategy is to perform a system dynamical characterization and afterward, alter the energetic barrier according to the environmental energy sources. Results show interesting conditions where energy harvesting capacity is dramatically increased by changing the system characteristics.
KIEE International Transaction on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems
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제5B권1호
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pp.39-42
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2005
Though full 3D analysis is the proper method to analyze the hybrid stepping motor (HSM), it has weak points in the areas of computation time and complexity. This paper introduces 2D FEA using a virtual magnetic barrier for the axial cross section to save computation time. For the purpose of 2D FEA, the virtual magnetic barrier and equivalent permanent magnet model of HSM are proposed. This result is compared with that of experimental and 3D analysis, considered as a reference result.
KIEE International Transaction on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems
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제5B권3호
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pp.267-271
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2005
This paper deals with two kinds of novel shape switched reluctance motors (SRM) with magnetic barriers in order to improve operating performances of prototype. The magnetic barriers make rotor poles more saturated, and consequently inductance profiles are distorted. The changed inductance affects input current shape and eventually torque characteristics. In order to analyze the complicated flux pattern of the SRM with magnetic barriers and its terminal characteristics simultaneously, coupled field circuit modeling method is used. The finite element method is used to model the nonlinear magnetic field, and coupled to the circuit model of the SRM overall system. After experimental results are presented to prove the accuracy of the method, the several analysis results are compared, and the improved rotor shape is presented.
Limited understanding of the surface properties of $Pt_3Ni$ for the oxygen reduction reaction (ORR) in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) has motivated the study of magnetic properties and electronic structures of Pt segregated $Pt_3Ni$ (111) surface during adsorption of oxygen molecule on it. The first principle method based on density functional theory (DFT) is carried out. Nonmagnetic Pt has induced magnetic moment due to strong hybridization between Ni 3d and Pt 5d. It is found that an oxygen molecule prefers bridge site with Pt rich subsurface environment for adsorption on the surface of Pt segregated $Pt_3Ni$ (111). It is seen that there is very small charge transfer from $O_2$ to Pt. The curve of energy versus magnetic moment of the oxygen explains the magnetic moments in transition states. We found the dissociation barrier of 1.07eV significantly higher than dissociation barrier 0.77eV on Pt (111) suggesting that the dissociation is more difficult on Pt segregated $Pt_3Ni$ (111) surface. The spin polarized densities of states are presented in order to understand electronic structures of Pt and $O_2$ during the adsorption in detail.
A FeRh alloy is a well-known efficient magnetocaloric material and some experimental and theoretical studies of bulk FeRh have been reported already by several groups. In this study we report first-principles calculations on magnetic properties of different thickness FeRh thin films in order to investigate the possibility to enhance further the magnetocaloric efficiency. We used Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) code. We found that the FeRh thin films have quite different magnetic properties from the bulk when the thickness is thinner than 6-atomic-layers. While bulk FeRh has a G-type antiferromagnetic (AFM) state, thin films which are thinner than 6-atomic-layers have an A-type AFM state or a ferromagnetic(FM) state. We will discuss possibility of magnetic phase transitions of the FeRh thin films in the view point of a magnetocaloric effect. And we found 4-, 5-, 6-layers films with Fe surface and 7-layers film with Rh surface are FM and they have dozens eV magnetocrystalline anisotropy (MCA) energy. MCA energy leads to determine energy barrier when magnetic states are changed by external magnetic field.
Magnetic resonance-guided focused ultrasound (MRgFUS) is a new emerging neurosurgical procedure applied in a wide range of clinical fields. It can generate high-intensity energy at the focal zone in deep body areas without requiring incision of soft tissues. Although the effectiveness of the focused ultrasound technique had not been recognized because of the skull being a main barrier in the transmission of acoustic energy, the development of hemispheric distribution of ultrasound transducer phased arrays has solved this issue and enabled the performance of true transcranial procedures. Advanced imaging technologies such as magnetic resonance thermometry could enhance the safety of MRgFUS. The current clinical applications of MRgFUS in neurosurgery involve stereotactic ablative treatments for patients with essential tremor, Parkinson's disease, obsessive-compulsive disorder, major depressive disorder, or neuropathic pain. Other potential treatment candidates being examined in ongoing clinical trials include brain tumors, Alzheimer's disease, and epilepsy, based on MRgFUS abilities of thermal ablation and opening the blood-brain barrier. With the development of ultrasound technology to overcome the limitations, MRgFUS is gradually expanding the therapeutic field for intractable neurological disorders and serving as a trail for a promising future in noninvasive and safe neurosurgical care.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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