Магнитомягкие высокочастотные материалы

 2.2. Магнитомягкие высокочастотные материалы

Под высокочастотными магнитомягкими материалами понимают вещества, которые должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону применения их в свою очередь можно подразделить на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ.

По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитоэлектрики и ферриты. Кроме того, при звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатанные электротехнические стали и пермаллои. Толщина сталей достигает 30-25 мкм, а пермаллой, как мееханически более мягкий сплав, может быть получен толщиной до 2-3 мкм. Основные магнитные свойства таких тонких магнитных материалов близки к свойствам материалов больших толщин, однако они имеют несколько повышенную коэрцитивную силу и высокую стоимость, а технология сборки магнитных цепей из них весьма сложна.

 2.3. Ферриты.

Как отмечалось выше, ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.

Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 10³-10¹³ раз, а следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышеных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

Табл. 2 Группы и марки магнитомягких ферритов.

Высокопроницаемые ферриты. В качестве магнитомягких материалов наиболее широко применяют никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты. Они кристаллизуются в структуре шпинели и представляют собой твердые растворы замещения, образованные двумя простыми ферритами, один из которых (NiFe₂O₄ или MnFe2O4) является ферримагнетиком, а другой (ZnFe₂O₄) - немагнитен. Основные закономерности изменения магнитных свойств от состава в подобных системах представлены на рис.2 и 3. Чтобы объяснить наблюдаемые закономерности, необходимо принять во внимание, что катионы цинка в структуре шпинели всегда занимают тетраэдрические кислородные междуузлия, а катионы трехвалентного железа могут находиться как в тетра-, так и в октаэдрических промежутках. Состав твердого раствора с учетом распределения

катионов по кислородным междуузлиям можно охарактеризовать следующей формулой:

(Zn²⁺_x Fe³⁺_1-x)[Ni²⁺_1-x Fe³⁺_1+x]O₄

где стрелки условно указывают направление магнитных моментов ионов в соответствующих подрешетках. Отсюда видно, что вхождение цинка в кристаллическую решетку сопровождается вытеснением железа в октаэдрические позиции. Соответственно уменьшается намагниченность тетраэдрической (А) подрешетки и снижается степень компенсации магнитных моментов катионов, находящихся в различных подрешетках (А и В). В результате возникает очень интересный эффект: увеличение концентрации немагнитного компонента приводит к увеличению намагниченности насыщения (а следовательно, и В_s) твердого раствора (рис.2). Однако разбавление твердого раствора немагнитным ферритом вызывает ослабление основного обменного взаимодействия типа А-О-В, что выражается в монотонном снижении температуры Кюри (Т_к) при увеличении мольной доли ZnFe₂O₄ в составе феррошпинели. Быстрый спад индукции насыщения в области х > 0,5 объясняется тем, что магнитные моменты небольшого количества ионов в тетраэдрической подрешетке уже не в состоянии ориентировать антипараллельно себе магнитные моменты всех катионов, находящихся в В-подрешетке. Иными словами, обменное взаимодействие типа А-О-В становится настолько слабым, что не может подавить конкурирующее взаимодействие типа В-О-В, которое также является отрицательным и стремится вызвать антипараллельную ориентацию магнитных моментов катионов в В-подрешетке.

Ослабление обменного взаимодействия между катионами при увеличении содержания немагнитного компонента приводит к уменьшению констант кристаллографической анизотропии и магнитострикции. Благодаря этому облегчается перемагничивание ферримагнетика в слабых полях, т.е. возрастает начальная магнитная проницаемость. Наглядное представление о зависимости начальной магнитной проницаемости от состава твердой фазы дает рис.3. Максимальному значению проницаемости отвечает точка в треугольнике составов с ориентировочными координатами 50% Fe₂O₃, 15% NiO и 35% ZnO. Этой точке соответствует твердый раствор Ni_1-xZn_xFe₂O₄ с х»0,7. Из сопоставления рис.2 и 3 можно сделать вывод, что ферриты с высокой начальной магнитной проницаемостью должны обладать невысокой температурой Кюри. Аналогичные закономерности наблюдаются для марганец-цинковых ферритов.

Значения начальной магнитной проницаемости и коэрцитивной силы определяются не только составом материала, но и его структурой. Препятствиями, мешающими свободному перемещению доменных границ при воздействии на феррит слабого магнитного поля, являются микроскопические поры, включения побочных фаз, участки с дефектной кристаллической решеткой и др. Устранение этих структурных барьеров, также затрудняющих процесс намагничивания, позволяет существенно повысить магнитную проницаемость материала. Большое влияние на значение начальной магнитной проницаемости ферритов оказывает размер кристаллических зерен. Марганец-цинковые ферриты с крупнозернистой структурой могут обладать начальной магнитной проницаемостью до 20000. Это значение близко к начальной магнитной проницаемости лучших марок пермаллоя.

Магнитные свойства. 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 релаксациооными и резонансными явлениями. Для оценки допустимого частотного диапазона, в котором может использоваться данный материал, вводят понятие критической частоты f_кр. 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 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 tgd/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 = 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 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.

Похожие работы

Магнитные материалы

Скачать

21773

0

0

... и др. элементами; порошковые материалы, из которых постоянные магниты, получают прессованием порошков с последующей термообработкой; прочие магнитные материалы (например, сплавы на основе редкоземельных металлов, устаревшие материалы, пластически деформируемые сплавы, эластичные магниты и др.). По применению магнитотвердые материалы подразделяют на материалы, применяемые для изготовления ...

Цветные металлы: классификация, области применения. Металлические проводниковые и полупроводниковые материалы, магнитные материалы

Скачать

51680

2

2

... по миру. Если в 1900 г. в год получали около 8 тысяч тонн легкого металла, то через сто лет объем его производства достиг 24 миллионов тонн. 2.         Металлические проводниковые и полупроводниковые материалы, магнитные материалы   2.1 Классификация электротехнических материалов Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и ...

Магнитотвердые материалы

Скачать

26294

1

3

... 3.1. Общие сведения. К магнитотвердым материалам относятся магнитные материалы с широкой петлей гистерезиса и большой коэрцитивной силой Нс (рис. 1.3, г). Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются коэрцитивная сила Нс, остаточная индукция Вс, максимальная удельная магнитная энергия, отдаваемая во внешнее пространство wмах. Магнитная проницаемость m магнитотвердых материалов ...

Классификация электротехнических материалов

Скачать

20300

0

0

... . К таким диэлектрикам относятся целлюлоза и продукты ее переработки, полярные полимеры. Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается также у льда. Диэлектрическая проницаемость указанных материалов в большой степени зависит от температуры и от частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какие наблюдаются для полярных жидкостей. Можно отметить, что диэлектрическая ...