novikov

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ И tg м ФЕРРИТОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Установить зависимость магнитной проницаемости и величины тангенса угла магнитных потерь tg м ферритового кольца от температуры (определить точку Кюри).

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Для работы в области высоких (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот используются магнитные материалы с низкой электропроводностью – ферриты. У этих материалов резко увеличенное удельное сопротивление по сравнению с металлическими ферромагнетиками, следовательно, чрезвычайно малые потери на вихревые токи. Поэтому рабочие частоты ферритов могут достигать сотен мегагерц (диапазон СВЧ).

По химическому составу ферриты представляют собой системы двойных окислов, образуемые окислами железа Fe2O3 и окислами двухвалентных, а иногда и одновалентных металлов. Общая формула наиболее обширной группы ферритов записывается следующим образом: MeO · Fe2O3, где Me – символ иона двухвалентного металла (Ni, Co, Mn, Mg и т. п.). Эта химическая формула простых ферритов. В технике широкое применение нашли смешанные ферриты, представляющие собой твердые растворы двух или нескольких простых ферритов.

Магнитные свойства ферритов обусловлены тем, что в их состав входят атомы элементов переходных групп, имеющие в оболочках недостроенные электронные d- или f-атомные орбитали. Нескомпенсированные спины электронов таких оболочек взаимно ориентируются в кристаллической решетке посредством обменных сил, имеющих кван- тово-механическую природу. Ферриты, являющиеся нескомпенсированными антиферромагнетиками (ферримагнетиками), имеют две (или более) взаимно проникающие магнитные подрешетки, каждая из которых в отсутствие внешнего магнитного поля обладает спонтанной намагниченностью, а магнитный момент одной из подрешеток больше, чем другой.

Примером феррита может служить соединение оксида железа с оксидом никеля. Такой феррит называется ферритом никеля с химической формулой вида NiFe2O4. Чтобы понять природу ферримагнетизма, необходимо рассмотреть структуру кристалла феррита, элементарная

31

ячейка которого представляет собой куб, содержащий восемь структурных единиц NiFe2O4. Тридцать два отрицательных иона кислорода расположены так, что они соприкасаются друг с другом, в промежутках между ними расположены положительные ионы железа и никеля. В восьми промежутках расположена половина ионов Fe+3, каждый из которых окружен четырьмя ионами кислорода. Такое положение ионов железа называют А-положением. Эти ионы имеют ориентацию магнитных моментов в одном направлении и образуют первую подрешетку. В шестнадцати других промежутках расположена другая половина ионов Fe+3 и восемь ионов Ni+2, каждый из которых окружен шестью ионами кислорода. Такое положение ионов называют В-положением. Эти ионы образуют вторую подрешетку, в которой магнитные моменты имеют направление, противоположное направлению магнитных моментов в первой подрешетке. Учитывая описанный характер распределения ионов и используя стрелки для указания направлений магнитных моментов, структурную формулу феррита можно представить в виде

Fe Fe Ni O4 .

Здесь в круглых скобках указаны ионы в А-положении, а в квадратных скобках указаны ионы в В-положении. При указанной структуре магнитные моменты трехвалентных ионов железа компенсируются, и спонтанное намагничивание вызывается магнитными моментами двухвалентных ионов никеля.

В области высоких частот величина с увеличением частоты вначале почти не изменяется, а затем начинает снижаться (рис. 14), при этом резко возрастает тангенс угла потерь. Частота, при которой наблюдается уменьшение магнитной проницаемости или возрастание тангенса угла потерь, называется критической или граничной и означает верхний предел частотного диапазона применения данного феррита. Для определенности ввели понятие критической частоты fкр, при

которой tg = 0.1. Причины резкого возрастания потерь весьма сложны и объясняются главным образом релаксационными и резонансными явлениями.

Влияние температуры на основные свойства ферритов сходно со всеми магнитными материалами. При некоторой температуре, называемой точкой Кюри, все ферромагнетики и ферримагнетики теряют свои магнитные свойства, а при более высокой температуре ведут себя как парамагнетики.

32

f

Рис. 14. Зависимости и tg м от частоты

Например, магнитная проницаемость μ магнитных материалов имеет температурную зависимость, показанную на рис. 15. Если величина внешнего магнитного поля была не предельной, то магнитная проницаемость при увеличении температуры проходит через максимум, а потом резко уменьшается. Наличие максимума связанно с увеличением ориентирующей способности магнитных моментов доменов ферроили ферримагнетика при увеличении температуры. При температурах выше точки Кюри области спонтанного намагничивания разрушаются тепловым движением, материал перестает быть магнитным, переходя в парамагнитное состояние.

μ

	ТКюри		Т
Рис. 15. Зависимость от температуры
33

Получают ферриты методом керамической технологии, т.е. спеканием смеси порошков окислов. Свойства ферритов зависят от среды, в которой проводится обжиг, времени обжига, режима охлаждения. Все эти параметры влияют на расположение ионов в кристаллической решетке и на дефектность структуры. Промышленность выпускает десятки марок ферритов, различающихся химическим составом и свойствами. При этом для каждой марки отрабатываются свои технологические параметры. Большинство ферритов легче металлов почти вдвое, они отличаются высокими твердостью и хрупкостью. Механическую обработку ферритов – резку, шлифовку, полировку – можно производить с помощью абразивных инструментов на основе искусственных алмазов. Детали из ферритов могут быть изготовлены различных форм: кольцеобразные, Ш- и П-образные, стержневые и пр.

Изготавливаются как магнитомягкие, так и магнитотвердые ферриты. Магнитомягкие ферриты применяются для сердечников разного рода трансформаторов, катушек индуктивности, для деталей отклоняющих систем телеаппаратуры, для магнитных антенн и для многих других целей. Такие ферриты имеют высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу (около 16 А/м), узкую петлю гистерезиса. Магнитотвердые ферриты используются для изготовления постоянных магнитов. Наиболее известен из этой группы материалов бариевый феррит.

Магнитные потери

Процесс циклического перемагничивания ферромагнетика характеризуется потерями энергии, вызывающими нагрев материала. Эти потери обусловлены двумя основными причинами: 1) потери, связанные с необратимым смещением доменных границ; они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте внешнего поля; 2) динамические потери или потери на токи Фуко, связаны с потерями энергии на вихревые токи, индуцированные в материале внешним полем. Эти потери зависят от сопротивления материала.

Мощность, расходуемая на гистерезис, может быть представлена в виде

P	Bn	fV ,	(10)
H	max
	34

где f – частота поля; V – объем материала; η – коэффициент, характеризующий материал; Вmax – максимальная индукция поля, достигаемая в течение цикла.

Мощность, расходуемую на вихревые токи, можно определить из выражения

P	B2	f 2V ,	(11)
f	max

где ξ – коэффициент, зависящий от материала.

При изучении поведения магнитного материала с потерями в переменном поле используют эквивалентную схему замещения реального материала идеальными элементами (рис. 16). Для этого реальную катушку индуктивности с сердечником из магнитного материала представляют в виде схемы, состоящей из последовательно соединенных идеальной индуктивности L и сопротивления r1, эквивалентного всем видам потерь мощности в магнитном материале.

Построим векторную диаграмму токов и напряжений в катушке индуктивности, включенной под переменное напряжение (рис. 17).

I		L
				r1

Рис. 16. Схема замещения магнитного материала с потерями

I

Ua = Ir1

φ

δм

UL = ωIL		U

Рис. 17. Упрощенная диаграмма токов в магнетике с потерями

35

Из векторной диаграммы (рис. 17) получаем:

tg

r1

,

(12)

м L

где δм называется углом магнитных потерь. Чем больше этот угол, тем больше (при прочих равных условиях) магнитные потери в материале сердечника.

Обычно в качестве параметра, характеризующего поведение магнитного материала в переменных полях, используется величина тангенса угла магнитных потерь tgδм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1.Описание измерительной установки

Внастоящей работе для измерения параметров феррита используется измеритель индуктивности и емкости ЛСМ1. С его помощью можно определить емкость конденсатора, индуктивность катушек, а также тангенс угла потерь. Зная же величину индуктивности катушки,

еегеометрическую форму и размеры, можно вычислить величину магнитной проницаемости ферритового сердечника катушки.

Лицевая панель прибора показана на рис. 18.

2.Порядок работы с прибором

1.Включить кнопку «Сеть» 12 (рис. 18), при этом загорится индикатор шкалы 3, индикатор результата измерения 1, индикатор температуры 4, индикаторы 8, 9, 10.

2.Поднять шторку термокамеры 11. Вставить измерительную кассету с образцами до упора. При этом шторка термокамеры должна опуститься.

3.Установить кнопкой 15 требуемый режим измерения (индуктивность или тангенс угла потерь). Кнопками 2 установить требуемый диапазон. При этом индикатор 1 укажет на выбранную шкалу (шкала 0-10 – линейный режим работы, а шкалы 1–3 и 3–10 – обратно пропорциональный режим работы).

4.Кнопкой 13 установить требуемый канал для измерения. Контроль выбора канала осуществляется с помощью индикатора 10.

5.С помощью кнопок 5 устанавить требуемое значение температуры термокамеры. При первом нажатии кнопки на индикаторе 4 высве-

36

тится установленное значение температуры. При повторном нажатии кнопки произойдет коррекция устанавливаемой температуры. Через две секунды после завершения установки индикатор 4 перейдет в режим отображения текущей температуры. Внимание: Не устанавли-

вайте нового значения температуры до завершения измерений при текущей температуре.

Рис. 18. Внешний вид прибора ЛСМ1

На передней панели прибора расположены:

1– индикатор результата измерения;

2– кнопки выбора поддиапазона;

3– индикатор шкалы;

4– индикатор температуры;

5– кнопки выбора температуры;

6– индикатор нагрева;

7– термокамера;

8– индикаторы режима измерения индуктивности;

9– индикаторы режима измерения емкости;

37

10– индикатор выбора канала;

11– индикатор связи с ЭВМ;

12– кнопка выключателя “Сеть”;

13– кнопка переключения канала;

14– кнопка переключения режима измерения емкости;

15– кнопка переключения режима измерения индуктивности;

Для отключения терморегулятора необходимо установить температуру менее 30 C . При этом на экране высветится сообщение «OFF».

При осуществлении связи с ЭВМ загорится индикатор 11.

Сообщения, выдаваемые прибором

При работе прибора на индикаторе 1 могут отображаться следующие сообщения:

L – измеряемая величина L ниже выбранного диапазона; H – измеряемая величина L выше выбранного диапазона;

P – измеряемое значение тангенса угла потерь выше выбранного диапазона;

A – при измерении активная составляющая больше реактивной

(tgδ > 1).

ВАЖНО: Перед началом работы сформируйте файл отчета. Для этого запустите на Рабочем столе пиктограмму файла «Отчет» и заполните предлагаемую форму. Затем сохраните ее, нажав клавишу <ЗАПИСЬ>.

3.Порядок выполнения лабораторной работы

1.Провести измерения L и tg м катушек индуктивности с ферритовыми сердечниками на фиксированной частоте при комнатной температуре (кассета с образцами выдается преподавателем). По полученным результатам рассчитать значение μ (см. расчетные формулы).

Образцы

Первый канал: кольцевой феррит 1200НН – размер кольца: dB = 3 мм,

dH = 5 мм, толщина h = 4 мм, число витков N = 50.

Второй канал: кольцевой феррит М2000НМ7 – размер кольца: dB = = 6 мм, dH = 9 мм, толщина h = 6 мм, число витков N = 100.

Катушка индуктивности с кольцевым сердечником имеет следующую индуктивность:

38

L	0	N 2 S		4 10 7 N 2	d	H	d	B	h	.
		l		dH	dB

Важно: При измерении параметров сначала установите измерение L и подберите правильный диапазон (помните, что время измерения прибора составляет 5 с). После получения корректного значения индуктивности переключите прибор на измерение tgδ. Для этого параметра также необходимо выбрать корректный диапазон, в котором tgδ является числом больше единицы. При изменении канала процедуру измерения следует повторить строго в той же последовательности. К сожалению, прибор запоминает диапазоны последних измерений и при смене канала необходимо провести их выбор снова.

2. Снять температурную зависимость μ и tg м в диапазоне от начальной температуры до 75 C . Для этого установите последовательно следующий температурный ряд: начальная, 40, 60, 65, 70, 75 C . Ин-

тервал между измерениями должен быть 10 мин для 40 и 60 C , 5 мин для остальных температур. Для каждой температуры фикси-

руйте значения индуктивности L и тангенса угла потерь. По окончании измерений отключите нагрев образца и осторожно выньте измерительную кассету с образцами из термокамеры. Измеренные и вычисленные данные заносятся в табл. 7.

			Т а б л и ц а 7
Т C	L	tg м	μ

Обработку результатов выполнять в пакете MS Excel или Origin. Снятые с прибора данные занести в таблицу и рассчитать дополнительные параметры. Графики температурных зависимостей двух ферритовых сердечников интерполировать B-Spline функцией. Из зависимости μ(Т) оценить точку Кюри, выполнив линейную аппроксимацию экспериментальных точек (см. рис. 15). Вставить графики в отчет, заполнить таблицы данных. Сохранить файл обработки (файл пакета ORIGIN (OPJ) или MS Excel) и отчет с именем: <Фамилия И.О.>_8.

Рабочая папка: D:/МиЭЭТ/<Номер группы>.

39

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Расчетные формулы и таблицы измерений.

2.Графики зависимостей L(T), μ (T), tg м (Т)

3.Вывод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое ферримагнетик?

2.Состав и технология производства ферритов.

3.Основные виды потерь в магнитных материалах.

4.Почему ферриты используются на высоких частотах?

5.Объясните зависимость от температуры. Какие физические процессы происходят в магнитных материалах вблизи температуры Кюри?

6. Объясните зависимость и tg м от частоты электромагнитного поля.

7.Магнитомягкие ферриты: свойства и области применения.

8.Магнитотвердые ферриты: свойства и области применения.

9.Магнитная восприимчивость никеля при температурах 400 и

800 C равна соответственно 1.25 · 10–3 и 1.14 · 10–4. Определить температуру Кюри и магнитную восприимчивость при Т = 600 C .

10.Определить, сколько витков необходимо намотать на магнитный сердечник длиной 100 мм и диаметром 8 мм, чтобы получить индуктивность катушки L = 10 мГн. Магнитную проницаемость сердечника считать равной 500.

11.Найти индуктивность соленоида, имеющего 200 витков, намотанных на цилиндрический ферритовый сердечник, длиной l = 50 мм и

имеющий магнитную проницаемость = 400. Площадь поперечного сечения основания S = 50 мм2.

40