Магнитные материалы

Глава 1 Литературный обзор

1.1 Магнитные материалы

1.1.1 Классификация веществ по магнитным свойствам

  По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.
К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.
К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.
Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов. Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п.
К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены некомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов.
Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом, - различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.
1.1.2 Классификация магнитных материалов
  Применяемые в электронной технике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие. В отдельную группу выделяют материалы специального назначения (рис. 1.1).








Рис. 1.1 Классификация магнитных материалов
К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой Нс. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат для изготовления постоянных магнитов.
К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п.
Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Нс < 800 А/м, а магнитотвердыми - с Нс > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м. По масштабам применения в электронной технике среди материалов специального назначения следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.
Внутри каждой группы деление магнитных материалов по родам и видам отражает различия в их строении и химическом составе, учитывает технологические особенности и некоторые специфические свойства.
Свойства магнитных материалов определяются формой кривой намагничивания и петли гистерезиса. Магнитомягкие материалы применяются для получения больших значений магнитного потока. Величина магнитного потока ограничена магнитным насыщением материала, а потому основным требованием к магнитным материалам сильноточной электротехники и электроники является высокая индукция насыщения. Свойства магнитных материалов зависят от их химического состава, от чистоты используемого исходного сырья и технологии производства. В зависимости от исходного сырья и технологии производства магнитомягкие материалы делятся на три группы: монолитные металлические материалы, порошковые металлические материалы (магнитодиэлектрические) и оксидные магнитные материалы, кратко называемые ферритами.

1.1.2.1 Монолитные металлические материалы

  Основными компонентами монолитных металлических магнитомягких материалов является железо с низким содержанием углерода, никель или кобальт. Для цепей техники связи важнейшими из этой группы материалов являются:
а) сплавы и стали с гарантированной малой коэрцитивной силой;
б) листовая сталь с гарантированными потерями при высоких значениях магнитной индукции;
в) сплавы с гарантированной индукцией насыщения;
г) сплавы и стали с гарантированной высокой проницаемостью;
д) материалы со специальными свойствами.
Материалы первой подгруппы предназначены, например, для реле. К ним относятся сталь с минимальным содержанием углерода, низколегированная кремнистая сталь и сплавы железа с никелем.
Вторую подгруппу материалов образует кремнистая сталь, применяемая для сердечников сетевых трансформаторов.
Материалы третьей подгруппы включают в себя сплавы железа с кобальтом.
Материалами с гарантированной проницаемостью являются низкоуглеродистые стали с присадкой 3-4,5% кремния и сплавы на основе никеля.
К подгруппе специальных материалов относятся материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, магнитострикционные материалы и т.п.



1.1.2.2 Порошковые металлические материалы

  Применение порошковых материалов, т.е. так называемых магнитодиэлектриков, основывается на технических и экономических соображениях. Магнитодиэлектрические сердечники имеют некоторые свойства, которых нельзя достичь у материалов первой группы. Они пригодны для высокочастотной техники. Прокатка листовых материалов толщиной менее 0,05 мм обходится очень дорого, а при толщине 0,03 мм цена таких материалов превышает цену золота.
Для уменьшения потерь на вихревые токи и увеличения стабильности магнитных свойств применяются порошковые магнитные материалы. Увеличение удельного электрического сопротивления достигается здесь изоляцией магнитных зерен друг от друга. Окончательная форма придается изделию прессованием. К этой группе относятся:
а) магнитодиэлектрические сердечники;
б) материалы со специальными свойствами.
В зависимости от исходного сырья магнитодиэлектрические сердечники делятся на сердечники из железных порошковых материалов и сердечники из легированного железа. Основу железных порошковых материалов составляет железо, получаемое обычно карбонильным способом. Легированные материалы представляют собой сплавы железа, и алюминия и сплавы железа и никеля или железа, никеля и молибдена (пермаллой и молибденовый пермаллой).
К специальным порошковым металлическим материалам относятся, например, магнитный порошок для магнитофонной ленты и других магнитных носителей информации.




1.1.2.3 Оксидные материалы - ферриты

  Ферриты представляют собой химические соединения, в общем случае имеющие формулу МFe2O4, где М - чаще всего двухвалентный ион металла, например, Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Co и Mn. В отличие от порошковых сердечников ферриты представляют собой монолитные материалы. Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в кубической системе и имеют структуру шпинели - минерала состава MgAl2O4. Чаще всего применяются ферриты следующих типов:
а) MnO*ZnO x 2Fe2O3 – марганцево - цинковый феррит;
б) Nio*ZnO x 2Fe2O3 – никель - цинковый феррит;
в) MgO*MnO*2Fe2O3 – магний - марганцевый феррит.
Ферриты имеют высокое удельное электрическое сопротивление порядка 10-109 Ом*см и благодаря этому низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20-25% от индукции насыщения железа.
Ферриты делятся на три подгруппы:
а) ферриты с гарантированными потерями и проницаемостью;
б) ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса;
в) ферриты со специальными свойствами.
Марганец - цинковые ферриты по сравнению с никель - цинковыми имеют меньшие потери. Оба эти вида ферритов относятся к первой подгруппе. Т.к. никель-цинковые ферриты имеют более высокое электрическое сопротивление, то их целесообразно применять в области частот от 500 кГц до 200 МГц и выше, т.е. для цепей высокочастотной техники. Магний - цинковые ферриты предназначены для применения в диапазоне от звуковых частот до нескольких МГц.
Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса бывают никель-цинковыми или магний - марганцевыми. В технике УКВ также применяются магний - марганцевые ферриты, однако соотношение отдельных составных частей в тройной системе отличается от состава магний - марганцевых ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса. Эти ферриты вместе с магнитострикционными материалами относятся к группе материалов со специальными свойствами.
Благодаря своим свойствам, ферриты имеют очень широкий диапазон применения. В настоящее время ферриты применяются в производстве реле, сетевых трансформаторов устройств связи, дросселей, электромеханических преобразователей и резонаторов и т.п. Однако наибольшее распространение ферриты получили в производстве сердечников для катушек (феррокатушек), запоминающих и переключающих цепей и т.п.

1.1.3 Особенности ферритомагнетиков

  Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения окисла железа Fe2O3 с окислами других металлов. В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свойствам.
Наиболее широкое применение нашли ферриты со структурой природного минерала шпинели. Химический состав ферритов-шпинелей отвечает формуле МеFe2O4, где под Ме понимают какой-либо двухвалентный катион. На примере этих соединений рассмотрим наиболее характерные особенности магнитных свойств ферримагнетиков.
Исследования показывают, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой материалов и, в частности, расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. Элементарная ячейка шпинели представляет собой куб, в состав которого входит восемь структурных единиц типа МеFe2O4, т.е. 32 иона кислорода, 16 ионов трехвалентного железа и 8 ионов двухвалентного металла. Кислородные ионы расположены по принципу плотной кубической упаковки шаров. При этом возникают междоузлия двух типов: тетраэдрические, образованные окружением четырех ионов, и октаэдрические, образованные окружением шести ионов кислорода. В этих кислородных междоузлиях находятся катионы металлов. Всего в элементарной ячейке шпинели может быть заполнено 8 тетраэдрических промежутков (назовем их позициями типа А) и 16 октаэдрических мест (позиции типа В).
Структуру, в которой все катионы двухвалентного железа занимают позиции типа А, а катионы трехвалентного железа распределяются в междоузлиях типа В, называют нормальной шпинелью. Учитывая такой характер распределения катионов по кислородным междоузлиям, формулу феррита со структурой нормальной шпинели можно представить в следующем виде:
(Мe2+)[Fe3+Fe3+]O4,
где в круглых скобках указаны ионы, занимающие позиции типа А, а в квадратных - ионы в позициях типа В. Стрелками условно показано направление магнитных моментов катионов. В структуре нормальной шпинели кристаллизуются ферриты цинка (ZnFe2O4) и кадмия (CdFe2O4). Как будет показано далее, ферриты со структурой нормальной шпинели немагнитны.
Чаще встречаются ферриты с иным характером распределения катионов по кислородным междоузлиям. Структура, в которой катионы Ме2+ находятся в позициях типа В, а катионы трехвалентного железа поровну распределяются между позициями А и В, получила название обращенной шпинели. Формулу обращенной шпинели с учетом распределения катионов можно записать в виде:
(Fe3+)[Me2+Fe3+]O4.
Структуру обращенной шпинели имеют ферриты никеля, кобальта, меди и некоторых других элементов.
Большинство реальных ферритов характеризуется некоторым промежуточным распределением катионов, когда и ионы Ме2+, и ионы трехвалентного железа Fe3+ занимают позиции того и другого типов. Такие структуры называют амфотерной шпинелью. Промежуточному распределению катионов соответствует структурная формула:
(Me2+1-x Fe3+x)[Me2+x Fe3+1-x]O4,
где параметр х характеризует степень обращенности шпинели. Структуре нормальной и обращенной шпинели отвечают значения х, равные, соответственно, нулю и единице.
В ферритах магнитоактивные катионы находятся достаточно далеко друг от друга, поскольку разделены анионами кислорода, не обладающими магнитным моментом. Поэтому прямое обменное взаимодействие между катионами оказывается очень слабым или отсутствует вообще. Их электронные оболочки практически не перекрываются.

1.2 Ферриты

  Как отмечалось выше, ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена некомпенсированным антиферромагнетизмом.
Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 103-1013 раз, а, следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышенных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

1.3 Применение ферритов

  При применении ферритов необходимо учитывать их эксплуатационные характеристики. Область применения каждой марки феррита определяется критической частотой, выше которой резко возрастают потери, и снижается магнитная проницаемость.
Классификация ферритов по применению:
а) Ферриты общего применения;
б) Термостабильные ферриты;
в) Высокопроницаемые ферриты;
г) Ферриты для телевизионной техники;
д) Ферриты для импульсных трансформаторов;
е) Ферриты для перестраиваемых контуров мощных радиотехнических устройств;
ж) Ферриты для широкополосных трансформаторов;
з) Ферриты для магнитных головок;
и) Ферриты для датчиков температуры с заданной точкой Кюри;
к) Ферриты для магнитного экранирования.

1.3.1 Ферриты общего применения

  Группа ферритов общего применения (группа 1) включает марки 1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ, изготавливаемые на основе марганец - цинковых ферритов, и марки 100НН, 400НН, 400НН1, 600НН, 1000НН, 2000НН, изготавливаемые на основе никель-цинковых ферритов. Объединяющим признаком этой группы материалов является их принадлежность к высокочастотным магнитомягким ферритам, а определяющим — установление норм только на величины начальной магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь.
Изделия из ферритов этой группы нашли широкое применение в целом ряде областей техники и выпускаются в виде деталей разнообразных конфигураций и размеров (Ш-, Е-, П - образные и броневые сердечники, пластины, стержни, трубки и т.п.) (рис.1.2). Их широко применяют в слабых и сильных полях в диапазоне частот до 30МГц в трансформаторах, дросселях, магнитных антеннах и другой аппаратуре, где нет особых требований к температурной и временной стабильности.

Рис.1.2 Е – образный сердечник

1.3.2 Термостабильные ферриты

Группа термостабильных ферритов (группа II) включает низкочастотные марки 700НМ, 1000НМ3, 1500НМ1, 1500НМ3, 2000НМ1, 2000НМ3, изготавливаемые на основе марганец - цинковых ферритов, и высокочастотные марки 7ВН, 20ВН, 30ВН, 50ВН, 100ВН, 150ВН на основе никель - цинковых ферритов.
Ферриты этой группы характеризуются комплексом электромагнитных параметров: высокая начальная магнитная проницаемость и высокая добротность в заданной полосе частот, малые значения относительного температурного коэффициента магнитной проницаемости в рабочем интервале температур и достаточно высокая временная стабильность начальной магнитной проницаемости.
В тех случаях, когда требуется определенная во времени стабильность начальной магнитной проницаемости ферритов, рекомендуется применять феррит марки 2000НМ3.
Для высокочастотных ферритов типа ВН это значение не нормируется, так как они имеют значительно более высокую временную стабильность, чем ферриты группы НМ.
Высокочастотные ферриты марок 7ВН, 20ВН, 30ВН, 50ВН, 100ВН, 150ВН не рекомендуется применять в полях больше определенного значения (порогового поля), так как после приложения такого поля материал необратимо переходит в состояние с низкой добротностью. Значение порогового поля для ферритов 100ВН и 150ВН - 300A/м, 50ВН - 500A/м, 20ВН и 30ВН - 1500A/м, 7ВН - 3000A/м.
Низкочастотные термостабильные ферриты применяют в слабых полях в диапазоне частот до 3 МГц, высокочастотные — в слабых полях в диапазоне частот до 100 МГц. Из этих ферритов изготавливают кольцевые, броневые, стержневые сердечники, сердечники для антенн и др.
Для повышения температурной и временной стабильности изделий применяют сердечники с разомкнутой магнитной цепью, например броневые сердечники для получения катушек индуктивности. Параметры, характеризующие качество применяемых для этих целей ферритовых сердечников, приводят в виде относительных коэффициентов: 
а) Относительного тангенса угла магнитных потерь tg??/?н;
б) Относительного температурного коэффициента магнитной проницаемости ??.

1.3.3 Высокопроницаемые ферриты

  Отличительной особенностью высокопроницаемых ферритов (III группа) является высокое значение начальной магнитной проницаемости на низких частотах. Такие ферриты используются в трансформаторах, делителях напряжения, статических преобразователях и в других приборах, где они позволяют заменить дорогостоящие сердечники из тонкокатаного пермаллоя.
Потери в сердечниках, работающих при малых индукциях, не могут влиять на работу трансформатора, поскольку они вызывают лишь незначительное рассеяние энергии. Поэтому повышенных требований к температурному коэффициенту проницаемости сердечников трансформаторов не предъявляется. Группа высокопроницаемых ферритов включает марки 4000НМ, 6000НМ, 6000НМ1, 10000НМ, 20000НМ, изготавливаемые на основе марганец - цинковых ферритов.

1.3.4 Ферриты для телевизионной техники

  К ферритам для телевизионной техники (группа IV) относятся марки 2500НМС1 и 3000НМС, изготавливаемые на основе марганец - цинковых ферритов. Ферриты этой группы обладают малыми значениями магнитных потерь в сильных магнитных полях в диапазоне частот, принятых в телевизионной технике, повышенным значением магнитной индукции при высоких температурах окружающей среды и подмагничивании. Эти ферриты применяют в основном в виде сердечников для выходных строчных трансформаторов (ТВС) и сердечников специальных узлов для цветных телевизоров. Сердечники ТВС предназначены для работы в полях при магнитной индукции 0,1…0,2 Тл на частоте 16 кГц. Ферриты этой группы могут быть использованы также для изготовления сердечников трансформаторов преобразователей постоянного напряжения, импульсных трансформаторов и т.д., работающих в режиме периодического перемагничивания.
В узлах цветных телевизионных приемников применяются помимо сердечников ТВС сердечники системы динамического сведения лучей (ССЛ) и трансформаторов коррекции геометрических искажений. Для сердечников системы сведения лучей применяют феррит марки 2000НМ. Для трансформаторов коррекции геометрических искажений применяют сердечники, которые должны изменять магнитную проницаемость в широких пределах в зависимости от намагничивающего поля по определенному закону. Для этих сердечников применяют ферриты марок 2500НМС1 и 3000НМС.
Изделия из ферритов для телевизионной техники выпускаются в виде Ш- и П-образных деталей, которые используются в основном в качестве сердечников строчных, корректирующих и силовых трансформаторов для черно-белых и цветных телеприемников. Сердечники строчных трансформаторов должны обладать максимальным значением проницаемости при индукции 0,1…0,2 Тл, чтобы обеспечить необходимое напряжение на электронно-лучевой трубке при меньшей затрате мощности, и минимальным значением потерь при этих индукциях на рабочей частоте пилообразного тока, равной 16 кГц. Условия работы сердечников в строчных трансформаторах обусловили нормирование удельных объемных потерь при индукции Bm = 0,2 Тл и Tt = 100°С на частоте 16кГц.

1.3.5 Ферриты для импульсных трансформаторов

  Ферриты марок 300ННИ, 300ННИ1, 350ННИ, 450ННИ, 1000ННИ, 1100ННИ, 1100НМИ (группа V) предназначены для импульсных режимов намагничивания. Из ферритов этой группы изготавливаются кольцевые и П-образные сердечники импульсных трансформаторов для аппаратуры различного назначения, работающей в импульсных режимах. Марки характеризуются величиной импульсной магнитной проницаемости и температурной стабильностью магнитной проницаемости. Для ферритов, применяемых в мощных импульсных трансформаторах, обычно приводятся зависимости значения удельных объемных магнитных потерь от магнитной индукции и длительности намагничивающего импульса. Удельные объемные магнитные потери при импульсном намагничивании являются основным фактором, определяющим перегрев сердечника.



1.3.6 Ферриты для перестраиваемых контуров мощных радиотехнических устройств

  Ферриты VI группы используются в контурах, перестраиваемых подмагничиванием. Сердечники для перестраиваемых контуров изготавливаются из никель-цинковых ферритов марок 10ВНП, 35ВНП, 55ВНП, 60ВНП, 65ВНП, 90ВНП, 150ВНП, 200ВНП, 300ВНП.
Ферриты марок 10ВНП, 35ВНП, 55ВНП, 60ВНП, 65ВНП, 90ВНП, 150ВНП, 200ВНП, 300ВНП имеют обычную S-образную петлю гистерезиса и обладают большим значением коэффициента перестройки по частоте, малым тангенсом угла магнитных потерь в диапазоне частот до 250 МГц и в широкой области высокочастотной индукции.
Качество ферритов этой группы характеризуется следующими электромагнитными параметрами: начальной магнитной проницаемостью, коэффициентом перестройки по частоте, тангенсом угла магнитных потерь при различных индукциях, коэффициентом амплитудной нестабильности магнитной проницаемости. В спектрах комплексной магнитной проницаемости для этих ферритов наблюдаются две области дисперсии: низкочастотная и высокочастотная.

1.3.7 Ферриты для широкополосных трансформаторов

  Ферриты VII группы используются в качестве сердечников мощных широкополосных согласующих трансформаторов, используемых в радиопередающей аппаратуре (рис.1.3). Ферриты данного типа обладают повышенной добротностью в слабых и сильных полях, малыми нелинейными искажениями, более высокой точкой Кюри по сравнению с ферритами для магнитоперестраиваемых контуров мощных радиотехнических устройств.
В широкополосных согласующих трансформаторах нашли применение ферриты марок 300ВНС, 200ВНС, 90ВНС, 50ВНС, которые имеют перетянутую форму петли гистерезиса и обладают малыми значениями тангенса угла магнитных потерь в широком диапазоне частот, нормированными также при высокочастотной индукции (примерно до 0,05 Тл), и малым значением амплитудной нестабильности магнитной проницаемости при высоком значении точки Кюри. Как и высокочастотные термостабильные, ферриты марок 50ВНС, 90ВНС, 200ВНС, 300ВНС имеют необратимые изменения свойств после приложения полей (больше пороговых) и даже при кратковременном приложении полей больше пороговых необратимо переходят в состояние с низкой добротностью.

     
     
     Рис.1.3 Сердечник широкополосного трансформатора

     
     1.3.8 Ферриты для магнитных головок

  Специфичность требований к ферритам для магнитных головок различного назначения (записи, воспроизведения и стирания звуковых и видеосигналов) обусловлена в первую очередь контактным взаимодействием сердечника с носителем информации в процессе эксплуатации. Кроме того, необходимость обеспечения в сердечнике головки зазора (достигающего 1,8…5,0 мкм в звукозаписи и 0,5…1,0 мкм в магнитных головках видеозаписи) обусловливает требования к минимальной поверхностной пористости (ПП < 1,0%). Группа ферритов для магнитных головок включает ферриты марок 500НТ, 1000НТ, 2000НТ (на основе никель-цинкового феррита), изготавливаемые способом обычного (холодного) прессования, и ферриты марок 500НТ1, 1000НТ1 (на основе никель-цинкового феррита), изготавливаемые способом горячего прессования.

1.3.9 Ферриты для датчиков температуры с заданной точкой Кюри

  Ферриты этой группы применяются для индуктивных бесконтактных датчиков температуры. Особенностью ферритов данного типа является высокая термочувствительность магнитной проницаемости в районе точки Кюри, что позволяет реализовывать их в качестве термореле. В датчиках температуры нашли применение ферриты марок 1200НН, 1200НН1, 1200НН2, 1200НН3, 800НН.

1.3.10 Ферриты для магнитного экранирования

  Ферриты этой группы используются в различных устройствах для поглощения радиопомех. Особенностью ферритов является высокое значение магнитных потерь в широкой полосе частот. В качестве помехопоглощающих элементов применяются ферритовые сердечники различных конфигураций (пластины, трубки, шайбы, многоотверстные сердечники). В радиопоглощающих устройствах нашли применение ферриты марок 800ВНРП и 200ВНРП.





1.4 Магнитные свойства ферритов

  Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной магнитной проницаемости одной из важнейших характеристик является тангенс угла потерь tgd. Благодаря низкой проводимости составляющая потерь на вихревые токи в ферритах практически мала, и ею можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на гистерезис. Поэтому значение tgd в ферритах на высоких частотах в основном определяется магнитными потерями, обусловленными релаксационными и резонансными явлениями. Для оценки допустимого частотного диапазона, в котором может использоваться данный материал, вводят понятие критической частоты fкр. Обычно под fкр понимают такую частоту, при которой tgd достигает значения 0,1.
Инерционность смещения доменных границ, проявляющихся на высоких частотах, приводит не только к росту магнитных потерь, но и к снижению магнитной проницаемости ферритов. Частоту fгр, при которой начальная магнитная проницаемость уменьшается до 0,7 от ее значения в постоянном магнитном поле, называют граничной. Как правило, fкр< fгр. Для сравнительной оценки качества магнитомягких ферритов при заданных значениях H и f удобной характеристикой является относительный тангенс угла потерь, под которым понимают отношение tgd/mн.
Сравнение магнитных свойств ферритов с одинаковой начальной магнитной проницаемостью показывает, что в области частот до 1 МГц марганец - цинковых 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.

1.5 Электрические свойства ферритов

  По электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводников или даже диэлектриков. Их электропроводность обусловлена процессами электронного обмена между ионами переменной валентности ("прыжковый" механизм). Электроны, участвующие 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 = g0 exp [-Э0/(kT)] ,
 r = r0 exp [Э0/(kT)],
где g0 и r0 - постоянные величины для данного материала;
Э0 - энергия активации электропроводности.
Среди многих факторов, влияющих на электрическое сопротивление ферритов, основным является концентрация в них ионов двухвалентного железа Fe2+. Под влиянием теплового движения слабосвязанные электроны перескакивают от ионов железа Fe2+ к ионам Fe3+ и понижают валентность последних. С увеличением концентрации двухвалентных ионов железа линейно возрастает проводимость материала и одновременно уменьшается энергия активации Э0. 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 Fe3O4 (феррит железа), у которого
r=5·10-5 Ом·м. В то же время в феррогранатах концентрация ионов Fe2+ ничтожно мала, потому их удельное сопротивление может достигать высоких значений (до 109 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 ? = 400, а на частоте 10 МГц ? = 15. Наиболее высокое значение ? 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.

1.6 Механические свойства ферритов

  Механические свойства ферритов подобны свойствам керамических изделий: их режут алмазным инструментом; они хорошо шлифуются и полируются; склеивают их клеем БФ-4. Под воздействием механических нагрузок в сердечниках возникают механические напряжения, что может разрушить сердечник или недопустимо изменить его электромагнитные параметры, как во время действия нагрузки, так и после нее. Влияние механических нагрузок на электромагнитные параметры сердечников зависит от направления вектора вызываемых ими механических напряжений относительно направления вектора напряженности рабочего поля.
К наибольшим изменениям параметров сердечников приводят механические напряжения, действующие перпендикулярно или параллельно направлению магнитного поля. В этих случаях изменения электромагнитных параметров одинаковы и могут отличаться только знаком.
При воздействии на сердечники динамических, механических нагрузок (ударов, вибраций) с динамическими импульсами менее 5 мс не рекомендуется допускать возникновения в сердечниках импульсов механических напряжений более 490332 Па (5 кгс/см?).
Нельзя допускать непосредственные удары по сердечникам и их падение с высоты на жесткое основание, так как при этом может произойти значительное необратимое изменение значения начальной магнитной проницаемости.
Для ферритов, с точки зрения прочности, самыми опасными видами деформации являются растяжение и изгиб. Предел прочности ферритовых материалов при растяжении (1-2)·104 кПа, при изгибе — в 2…2,5 раза больше, а при сжатии — в 10…15 раз больше, чем при растяжении.
Механические и теплофизические характеристики ферритов имеют следующие ориентировочные значения: 
* модуль Юнга (0,45…2,15)·108 кПа;
* модуль сдвига (0,43…7,4)·107 кПа;
* коэффициент Пуассона 0,22…0,40;
* удельная теплоемкость ферритов приблизительно равна
         (0,6…0,9)·10? Дж/(кг·К);
* коэффициент теплопроводности приблизительно равен              (2,8…5,7) Вт/(м·К);
* коэффициент линейного расширения приблизительно равен 
          (5…10)·10-6 1/град.

1.7 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 плоскость 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 направления 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: 
а) На магнитооптическом эффекте Фарадея; 
б) На эффекте ферромагнитного резонанса; 
в) На изменении внешним магнитным полем значения магнитной проницаемости феррита.
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 получа.......................