Магнитные материалы

 Инерционность  смещения доменных границ, проявляющихся  на высоких частотах, приводит  не только к росту магнитных  потерь, но и к снижению магнитной  проницаемости ферритов. Частоту  f _гр , при которой начальная магнитная проницаемость уменьшается до 0,7 от ее значения в постоянном магнитном поле, называют граничной . Как правило, f _кр < f _гр . Для сравнительной оценки качества магнитомягких ферритов при заданных значениях H и f удобной характеристикой является относительный тангенс угла потерь, под которым понимают отношение tg d / m _н .            

 Сравнение  магнитных свойств ферритов с  одинаковой начальной магнитной  проницаемостью показывает, что  в области частот до 1 МГц марганец-цинковые ферриты имеют существенно меньший относительный тангенс угла потерь, чем никель-цинковые ферриты. Это объясняется очень малыми потерями на гистерезис у марганец-цинковых ферритов в слабых полях. Дополнительным преимуществом высокопроницаемых марганец-цинковых ферритов является повышенная индукция насыщения и более высокая температура Кюри. В то же время никель-цинковые ферриты обладают более высоким удельным сопротивлением и лучшими частотными свойствами.            

 В ферритах, как и в ферромагнетиках, реверсивная  магнитная проницаемость может  существенно изменяться под влиянием  напряженности постоянного подмагничивающего поля, причем у высокопроницаемых ферритов эта зависимость выражена более резко, чем у высокочастотных ферритов с небольшой начальной магнитной проницаемостью.            

 Магнитные  свойства ферритов зависят от  механических напряжений, которые  могут возникать при нанесении  обмотки, креплении изделий и  по другим причинам. Чтобы не  было ухудшения магнитных характеристик,  ферриты следует оберегать от  механических нагрузок.

Электрические свойства . По электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводников или даже диэлектриков. Их электропроводность обусловлена процессами электронного обмена между ионами переменной валентности("прыжковый" механизм). Электроны, учавствующие в обмене, можно рассматривать как носители заряда, концентрация которых практически не зависит от температуры. Вместе с тем, при повышении температуры экспоненциально увеличивается вероятность перескока электронов между ионами переменной валентности, т.е. возрастает подвижность носителей заряда. Поэтому температурное изменение удельной проводимости и удельного сопротивления ферритов с достаточной для практических целей точностью можно описать следующими формулами:

g = g ₀ exp [-Э ₀ /(kT)] ; r = r ₀ exp [Э ₀ /(kT)]

где g ₀ и r ₀ - постоянные величины для данного материала; Э ₀ - энергия активации электропроводности.            

 Среди многих  факторов, влияющих на электрическое  сопротивление ферритов, основным  является концентрация в них  ионов двухвалентного железа  Fe ²⁺ . Под влиянием теплового движения слабосвязанные электроны перескакивают от ионов железа Fe ²⁺ к ионам Fe ³⁺ и понижают валентность последних. С увеличением концентрации двухвалентных ионов железа линейно возрастает проводимость материала и одновременно уменьшается энергия активации Э ₀ . Отсюда следует, что при сближении ионов переменной валентности понижается высота энергетических барьеров , которые должны преодолевать электроны при переходе от одного иона к соседнему. У ферритов-шпинелей энергия активации электропроводности обычно лежит в пределах от 0,1 до 0,5 эВ. Наибольшей концентрацией ионов двухвалентного железа и, соответственно, наименьшим удельным сопротивлением обладает магнетит Fe ₃ O ₄ (феррит железа), у которого r =5 · 10 ^-5 Ом · м. В то же время в феррогранатах концентрация ионов Fe ²⁺ ничтожно мала, потому их удельное сопротивление может достигать высоких значений (до 10 ⁹ Ом · м).            

 Экспериментально  установлено, что присутствие  в ферритах-шпинелях определенного  количества ионов двухвалентного  железа приводит к ослаблению  анизотропии и магнитострикции;  это благоприятно отражается  на значении начальной магнитной  проницаемости. Отсюда вытекает  следующая закономерность: ферриты  с высокой магнитной проницаемостью, как правило, обладают невысоким  удельным сопротивлением.            

 Для ферритов  характерна относительно большая  диэлектрическая проницаемость,  которая зависит от частоты  и состава материала. С повышением  частоты диэлектрическая проницаемость  ферритов падает. Так, никель-цинковый  феррит с начальной проницаемостью 200 на частоте 1 кГц имеет e = 400, а на частоте 10 МГц e = 15. Наиболее  высокое значение e присуще марганец-цинковым ферритам, у которых она достигает сотен или тысяч.            

 Большое влияние  на поляризационные свойства  ферритов оказывают ионы переменной  валентности. С увеличением их  концентрации наблюдается возрастание  диэлектрической проницаемости  материала. 

2.4. Магнитные материалы  специализированного  назначения 

Ферриты и металлические  сплавы с ППГ. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) находят широкое применение в устройствах автоматики, вычислительной техники, в аппаратуре телеграфной связи. Сердечники из материала с ППГ имеют два устойчивых магнитных состояния, соответствующих различным направлениям остаточной магнитной индукции. Именно благодаря этой особенности их можно использовать в качестве элементов для хранения и переработки двоичной информации. Запись и считывание информации осуществляются переключением сердечника из одного магнитного состояния в другое с помощью импульсов тока, создающих требуемую напряженность магнитного поля.            

 Двоичные  элементы на магнитных сердечниках  с ППГ характеризуются высокой  надежностью, малыми габаритами, низкой стоимостью, относительной  стабильностью характеристик. Они  обладают практически неограниченным  сроком службы, сохраняют записанную  информацию при отключенных источниках  питания.            

 К материалам  и изделиям этого типа предъявляют  ряд специфических требований, а  для их характеристики привлекают  некоторые дополнительные параметры.  Основным из таких параметров  является коэффициент прямоугольности  петли гистерезиса К _пу , представляющий собой отношение остаточной индукции В _r к максимальной индукции В _max :

К _пу = В _r /В _max            

 Для определенности В _max измеряют при H _max = 5H _c . Желательно, чтобы К _пу был возможно ближе к единице. Для обеспечения быстрого перемагничивания сердечников они должны иметь небольшой коэффициент переключения S _q , численно равный количеству электричества на единицу толщины сердечника, которое необходимо для перемагничивания его из одного состояния остаточной индукции в противоположное состояние максимальной индукции.            

 Кроме того, материалы с ППГ должны обеспечивать  малое время перемагничивания, возможно  большую температурную стабильность  магнитных характеристик, а следовательно, иметь высокую температуру Кюри и некоторые другие свойства.            

 Ферриты с  ППГ в практике распространены  шире, чем металлические тонкие  ленты. Это объясняется тем,  что технология изготовления  сердечников наиболее проста  и экономична. Свойства ферритовых  сердечников приведены в табл.2.

Табл.3 Свойства сердечников и материалов с ППГ.            

 Ферритам  свойственна спонтанная прямоугольность  петли гистерезиса, т.е. специфическая  форма петли реализуется при  выборе определенного химического  состава и условий спекания  феррита, а не является результатом  какой-либо специальной обработки  материала, приводящей к образованию  текстуры (например, механических воздействий  или обработки в сильном магнитном  поле).            

 Из ферритов с ППГ наиболее широкое применение находят магний-марганцевые и литиевые феррошпинели. Установлено, что прямокгольная петля гистерезиса характерна для материалов с достаточно сильной магнитной кристаллографической анизотропией и слабо выраженной магнитострикцией. В этом случае процессы перемагничивания происходят главным образом за счет необратимого смещения доменных границ. Сохранение большой остаточной намагниченности после снятия внешнего поля объясняется локализацией доменных границ на микронеоднородностях структуры. Такими неоднородностями могут быть области с разной степенью обращенности шпинели, вакансии и связанные с ними комплексы, междуузельные атомы и др. Например, в магний-марганцевых ферритах спонтанная прямоугольность петли гистерезиса обусловлена тетрагональными искажениями кристаллической решетки за счет ионов Mn ³⁺ , образующихся при определенных условиях синтеза.            

 При использовании  ферритов следует учитывать изменение  их свойств от температуры.  Так, при возрастании температуры  от -20 до +60 ° С у ферритов различных марок коэрцитивная сила уменьшается в 1,5-2 раза, остаточная индукция - на 15-30%, коэффициент прямоугольности - на 5-35%.            

 В зависимости  от особенности устройств, в  которых применяются ферриты  с ППГ, требования, предъявляемые  к ним, могут существенно различаться.  Так, ферриты, предназначенные  для коммутационных и логических  элемнтов схем автоматического управления, должны иметь малую коэрцитивную силу (10-20 А/м). Наоборот, материалы, используемые в устройствах хранения дискретной информвции, должны иметь повышенное значение коэрцитивной силы (100-300 А/м).            

 В запоминающих  устройствах ЭВМ применяют либо  кольцевые ферритовые сердечники  малого размера (имеются сердечники  с наружным диаметром 0,3-0,4 мм), либо многоотверстные ферритовые платы в которых область вокруг каждого отверстия выполняет функции отдельного сердечника. При использовании сердечников достигается более высокое быстродействие, однако возникают технологические трудности при прошивке таких сердечников проводниками и сборке матриц.

Ферриты для устройств  СВЧ. Диапазон СВЧ соответствует длинам волн от 1м до 1мм. В аппаратуре и приборах, где используются электромагнитные волны диапазона СВЧ, необходимо управлять этими колебаниями: переключать поток энергии с одного направления на другое, изменять фазу колебаний, поворачивать полоскость поляризации волны, частично или полностью поглощать мощность потока.            

 Электромагнитные  волны могут распространяться  в пространстве, заполненном диэлектриком, а от металлов они почти  полностью отражаются. Поэтому металлические  поверхности используют для напрвления волн, их концентрации или рассеяния. Электромагнитная энергия СВЧ чаще всего передается по волноводам, представляющим собой трубы. В качестве твердых материалов для управления потоком энергии в волноводах используют ферриты СВЧ и некоторые немагнитные активные диэлектрики. Магнитными характеристиками первых можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, электрическими свойствами вторых - за счет внешнего электрического поля.            

 Практическое  применение ферритов СВЧ основано  на: а) магнитооптическом эффекте  Фарадея; б) эффекте ферромагнитного резонанса; в) изменении внешним магнитным полем значения магнитной проницаемости феррита.