Магнитные материалы

Магнитооптический эффект Фарадея  заключается в повороте плоскости поляризации высокочастотных колебаний в намагниченном за счет внешнего поля феррите. При этом могут быть получены различные углы поворота плоскости поляризации, а следовательно, и коммутирование энергии в разные каналы.

Ферромагнитный резонанс наблюдается при совпадении частоты внешнего возбуждающего поля с собственной частотой прецессии спинов электронов. Собственная частота прецессии зависит от магнитного состояния образца, а потому ее можно изменять с помощью постоянного подмагничивающего (управляющего) поля Н_. При резонансе резко возрастает поглощение энергии электромагнитной волны, распространяющейся в волноводе в обратном направлении; для волны прямого направления поглощение оказывается значительно меньшим. В результате получается высокочастотный вентиль. Рассмотренный эффект наиболее сильно проявляется в том случае, когда напряженности переменного возбуждающего поля и постоянного подмагничивающего полей взаимно перпендикулярны.            

 Если частоту  внешнего поля поддерживать постоянной, а изменять напряженность подмагничивающего поля Н_, то вентильные свойства феррита будут проявляться в довольно узком интервале напряженностей постоянного поля D Н_, называемом шириной линии ферромагнитного резонанса. Чем меньше значение D Н_, тем сильнее поглощение электромагнитной энергии, что благоприятно сказывается на характеристиках ряда СВЧ-устройств (антенные переключатели и циркуляторы, служащие для распределения энергии между отдельными волноводами; фазовращатели; фильтры; модуляторы; ограничители мощности и др.).            

 Помимо достижения  узкой линии резонанса к ферритам  СВЧ предъявляют ряд специфических  требований. Основными из них  являются:

1) высокая чувствительность  материала к управляющему полю (возможность управления относительно  слабым внешним полем);

2) высокое удельное  объемное сопротивление (10 ⁶ -10 ⁸ Ом · м) и возможно меньший тангенс угла диэлектрических потерь (10 ^-3 - 10 ^-4 ), а также возможно меньшее значение магнитных потерь вне области резонанса, обеспечивающее малое затухание в феррите;

3) температурная  стабильность свойств и возможно  более высокое значение точки  Кюри. В отдельных случаях к  ферриту предъявляют и другие  требования, которые могут быть  даже противоречивыми. Большинство требований удовлетворяется при использовании магний-марганцевых ферритов с большим содержанием окиси магния.            

 Для некоторых  целей применяют литий-цинковые  и никель-цинковые ферриты и ферриты сложного состава (полиферриты).            

 Конфигурация  и размеры ферритового изделия,  с одной стороны, определяются  принципом действия прибора, а  с другой, зависят от свойств  самого материала. В различных  приборах СВЧ применяемые ферритовые  вкладыши имеют форму прямоугольной  пластины, равностороннего треугольника, кольца, диска или сферы. При  определенной геометрии вкладыша  обеспечивается наилучшее согласование  его с волноводом, т.е. получается  минимальное отражение электромагнитной  волны от феррита. Для изготовления  вкладышей используются как поликристаллические  материалы, так и монокристаллы  ферритов. Последние характеризуются  более узкой шириной линии  ферромагнитного резонанса.

Магнитострикционные ферриты. Магнитострикционными называют магнитные материалы, применение которых основано на явлении магнитострикции и магнитоупругом эффекте, т.е. изменении размеров тела в магнитном поле и изменении магнитных свойств материала под влиянием механических воздействий.            

 Среди магнитострикциооных материалов можно отметить как чистые металлы, так сплавы и различные ферриты. Ферриты являются магнитострикционными материалами для высоких частот.            

 В эксплуатационных  условиях в большинстве случаев  магнитное состояние сердечника  магнитострикционного преобразователя  определяется одновременным воздействием  переменного и постоянного подмагнич,вающих полей. Если Выполняется соотношение B _m << B_, то между амплитудами переменного магнитного поля и механических колебаний существует линейная зависимость. Таким образом, магнитострикционные колебания небольшой амплитуды в намагниченной (магнитно-поляризованной) среде по своему внешнему проявлению аналогичны пьезоэлектрическим. Поэтому их иногда называют пьезомагнитными.            

 Широкое применение  в магнитострикционных устройствах  находит ферритовая керамика. По  сравнению с никелем и металлическими  сплавами, магнитострикционные свойства  которых также выражены довольно  сильно, магнитострикционные ферриты  имеют ряд преимуществ. Благодаря  высокому удельному сопротивлению  в них пренебрежимо малы потери  на вихревые токи, поэтому отпадает  необходимость расслаивать материал  на отдельные пластины. В отличие  от металлических сплавов ферриты  не подвержены действию химически  агрессивных сред. С помощью керамической  технологии можно изготовить  преобразователи практически любых  форм и размеров.            

 По составу  магнитострикционная керамика представляет  собой либо чистый феррит никеля (NiFe ₂ O ₄ ), либо твердые растворы на его основе.            

 Из магнитострикционных  материалов изготавливают сердечники  электромеханических преобразователей (излучателей и приемников) для  электроакустики и ультразвуковой  техники, сердечники электромеханических  и магнитострикционных фильтров  и резонаторов, линий задержки. Их используют также в качестве  чувствительных элементов магнитоупругих преобразователей, применяемых в устройствах автоматики и измерительной техники.

3. ОБЛАСТЬ ПрименениЯ ферритов.            

 Магнитомягкие ферриты с начальной магнитной проницаемостью 400 - 20000 в слабых полях во многих случаях эффективно заменяют листовые ферромагнитные материалы - пермаллой и электротехническую сталь. В средних и сильных магнитных полях замена листовых ферромагнетиков ферритами нецелесообразна, поскольку у ферритов меньше индукция насыщения.            

 В табл.4 дана  характеристика некоторых распространенных  марок ферритов, выпускаемых в  промышленном масштабе.            

 Магнитомягкие ферриты широко применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивностей, фильтров в аппаратуре радио- и проводной связи, сердечников импульсных и широкополосных трансформаторов, трансформаторов развертки телевизоров, магнитных модуляторов и усилителей. Из них изготавливают также стержневые магнитные антенны, индуктивные линии задержки и другие детали и узлы электронной аппаратуры.            

 Наиболее  часто применяют ферритовые сердечники  с замкнутой магнитной цепью.  Такие магнитопроводы бывают либо монолитными, в виде единого тела (например, кольцевой сердечник), либо составными - из двух хорошо пришлифованных друг к другу частей, зазор между которыми по возможности мал. Составные магнитопроводы распространены шире монолитных, так как намотка проволоки на последние вызывает определенные трудности. В качестве примера на рис.4 показана конструкция составного сердечника закрытого (броневого) типа. Он состоит из двух одинаковых чашек и стержня-подстроечника, входящего в центральное отверстие. Перемещением подстроечника можно регулировать индуктивность катушки.

Табл.4 Свойства некоторых ферритов.

            Монокристаллы  магнитомягких ферритов находят довольно широкое применение при изготовлении магнитных головок записи и воспроизведения звукового и видеодиапазонов в магнитофонах. По сравнениюс металлическими ферритовые головки обладают высоким удельным сопротивлением (что важно для уменьшения потерь) и большей твердостью. Из-за высокой скорости движения магнитной ленты при видеозаписи к материалу головки предъявляются повышенные требования в отношении износоустойчивости.            

 Конструкция  головки для магнитной записи  показана на рис.5. Сердечник головки  состоит из двух половин, склеенных  стеклом, между которыми создается  рабочий зазор 0,5-0,7 мкм. Такие  сердечники изготавливают из  монокристаллов марганец-цинковых ферритов, выращиваемых газоплазменным методом Вернейля.

3.1 Ферритовые сердечники            

 Современные  устройства связи используют  много деталей с ферритовыми  сердечниками. Ферриты удовлетворяют  серьезным требованиям, предъявляемым  к современным элементам устройств связи, а также находят себе другие применения. Это, например, ферритовые антенны, однонаправленные изоляторы волноводов, модуляторы микроволн и т.д. Возможность изготовления ферритов различного состава увеличивает возможности их применения, благодаря чему ферриты перешагнули границы области применения, для которой они были первоначально разработаны, и стали применяться в технике ЭВМ, в технике регулирования измерений, а также в атомной технике.

Табл.5 Применение ферритовых сердечников, обеспечивающих достижение добротности не менее 100.

1 - телеграф 2 - телефон  3 - телефонная несущая 4 - звукозапись 

Радио, радиолокация: 5 - ДВ 6 - СВ 7 - КВ1 8 - КВ2 9 - УКВ 10 - СВЧ.

3.2. Запоминающие и  переключающиеся  цепи            

 Успехи в  развитии магнитомягких материалов в 60-е годы содействовали быстрому развитию математических машин и позволили осуществить новые конструкции электронных телефонных станций. Элементы, в которых эти материалы используются совместно с полупроводниковыми диодами или транзисторами, почти вытеснили менее надежные, имеющие большие габариты и менее экономичные детали, какими являются электронные лампы и реле. При проектированиикрупных машин для обработки информации нельзя обойтись без этих элементов.            

 Для указанных  устройств обычно применяются  металлические и ферритовые магнитные  материалы с прямоугольной петлей  гистерезиса. В некоторых запоминающих  цепях, кроме этих материалов, применяются и другие.

3.3. Принципы действия  запоминающих и  переключающихся  цепей с сердечниками  с прямоугольной  петлей гистерезиса            

 Толчок развитию  запоминающих устройств на основе  магнитных материалов дали постоянно повышающиеся к ЭВМ. По принципу действия элементы запоминающих устройств делятся на две группы. Первые требуют постоянного обновления поступающей информации. Так работают запоминающие устройства, основанные на принципе линии задержки. Вторые длительно сохраняют записанную информацию. У магнитных запоминающих устройств этой группы носителем информации является остаточная индукция магнитного материала. Эти устройства также делятся на два типа. У первого магнитный материал перемещается относительно катушки, применяемой для записи или чтения. Информацию можно получить только в определенный момент, а именно тогда, когда запись проходит как раз под считывающей катушкой. У второго типа, т.е. статических устройств магнитной памяти и других подобных им усройств, запись и чтение производятся перемагничиванием неподвижного ферромагнитного материала. Информацию можно получить в любой момент времени. Запоминающие устройства осуществляют запись информации с помощью двух возможных состояний запоминающего элемента, чаще всего обозначаемых индексами 0 и 1.            

 Магнитные  переключающиеся цепи всегда  имеют электрический выход, т.е.  обмотку из провода с определенным  сопротивлением. Переключение осуществляется  изменением индуктивности или  же изменением взаимосвязи у  трансформатора, а поэтому может  применяться только при переменном  или импульсном напряжении и  непригодно для постоянного тока.