1.9 Магнитомягкие материалы для работы на высоких частотах

При работе на высоких частотах основным видом потерь в магнитопроводе являются потери на вихревые токи уравнение 1.4. Уменьшить эти потери можно двумя способами: уменьшением толщины листа магнитопровода и увеличением удельного электрического сопротивления.

Первый способ не затрагивает собственно сам материал, так как цель достигается чисто технологическими средствами. При этом используются те же самые материалы, которые применяются и для низких частот. Так электротехническая тонколистовая сталь 3421 при толщине проката 0,2мм может применяться для изготовления магнитопроводов, работающих на частотах 50-500 Гц, т.к. при увеличении частоты сверх этого диапазона потери на вихревые токи становятся очень большими. Если же прокатать эту сталь до тол­щины 0,02 мм, то из нее уже можно изготавливать магнитопроводы для частот 2000-3000 Гц. Такой же толщины прокат пермаллоев марок 5СНХС и ЗОИХС может работать при частотах до 100000 Гц. Сердечники на более высокие частоты изготавливать из тонколистовых металлических ферромагнетиков нецелесообразно, так как уменьшени­ем толщины проката радикально снизить потери не удается, а трудоемкость и стоимость изготовления магнитопроводов сильно возрастают. Увеличение удельного электрического сопротивления предполагает изменение химического состава и структуры (природы) ма­териала.

Практически на высоких частотах сейчас применяют две группы материалов: магнито-диэлектрики и ферриты.

Магнито-диэлектрики. Под магнито-диэлектриками понимают магнитомягкие материалы, состоящие из частиц ферромагнетика, разделенных немагнитной матрицей,вид которой представлен на рисунке 48

Рисунок 48

В этом материале идея дробления ферромагнетика доведена до своего логического завершения. Дальнейшее уменьшение размеров частиц приводит к появлению однодоменной структуры и вызывает рост уже потерь на перемагничивание, поэтому частицы выбирают для каждого конкретного материала столь малыми, сколь это возможно с целью уменьшения путей замыкания вихревых токов, но с другой стороны столь большими, чтобы они оставались многодоменными. Для разных материалов этот размер свой. В этом случае магнитная проницаемость материала оказывается зависящей от магнитной проницаемости ферромагнитного наполнителя µ (в незначительной степени) и объемной доли неферромагнитной связки ν (в значительной степени)

Реально, какой бы ферромагнетик мы не взяли для магнито-диэлектриков, общую магнитную проницаемость получить больше чем 250 не удается. К тому же у магнито-диэлектриков есть еще одна особенность, заключающаяся в том, что получается один только тип гистерезисного цикла - линейный (перминварный). И малая величина проницаемости и перминварный гистерезисный цикл объясняется одним - высоким значением коэффициента размагничивания ферромагнитных частиц, которые используются для изготовления магнито-диэлектрика.

В качестве немагнитной связки используют различные диэлектрики: пластмассы, стекла, керамику, резины. Содержание диэлектрика колеблется у разных марок магнито-диэлектриков от 4 до 50%.

Ферромагнитный наполнитель изготавливают также из разных материалов. Наиболее распространенным является карбонильное железо. Его получают разложением Fe(CO)₅ при 200°С в атмосфере аммиака. Получается мелкодисперсный порошок (диаметр порошинок 1-5 мкм), загрязненный к тому же примесями кислорода, азота и углерода, с невысокими магнитными характеристиками. Однако, поскольку магнитные характеристики наполнителя мало сказываются на магнитной проницаемости материала, карбонильное железо используют для изготовления магнитодиэлектрических сердечников в радиотехнике (марки Р-10, Р-20, Р-100 и др.). Цифра показывает максимальную частоту применения такого сердечника (в МГц),

Второй материал, который также уже давно используют в качестве магнитного наполнителя магнито-диэлектриков - альсифер. Это сплав железа, кремния и алюминия. Он характеризуется большой магнитной проницаемостью (в зависимости от соотношения ком­понентов может доходить до 35000) и повышенной хрупкостью. Последнее является в данном случае достоинством сплава, т.к. его надо превращать в мелкодисперсный порошок. Сплав размалывают (до размеров порошинок 60-120 мкм) и изготавливают сердечники для катушек проводных линий связи (ТЧ-90, ТЧ-60, ВЧ-229 и др.). Цифры означают начальную магнитную проницаемость магнито-диэлектрика. Буквы ТЧ расшифровываются как тональная частота, а ВЧ - высокая частота. Магнито-диэлектрики типа ТЧ применяют на частотах в несколько десятков килогерц, а ВЧ - несколько сотен.

В последние годы получил распространение в качестве наполнителя для магнито-диэлектриков пермаллой. Обычно используют пермаллой марки 79Н. Для того чтобы сделать его хрупким, добавляют небольшое количество серы. Сплав размалывают на обычных механических мельницах до диаметра порошинок от 50 до 100 мкм. Изготавливают сердечники катушек индуктивности проводных линий связи, работающие в диапазоне частот от 0,03 до 0,3 МГц. Марки: П-250, П-140, П-6О и др. Цифра обозначает начальную магнитную проницаемость магнито-диэлектрика.

Ферриты. Магнито-диэлектрики имеют два существенных недостатка: малую величину начальной магнитной проницаемости и только один тип гистерезисного цикла (перминварный). К тому же частотный диапазон их ограничен. Поэтому в настоящее время

область применения магнито-диэлектриков сократилась, на смену им во многих случаях пришли другие магнитные материалы, способные работать на высоких частотах, ферриты. Ферриты - это неметаллические, точнее будет сказать керамические материалы, обладающие магнитными свойствами. В природе существует только один феррит - магнитный железняк. Намагниченный естественным магнитным полем земли он проявляет свои магнитные (очень слабые) свойства, но из-за низких магнитных характеристик не находит самостоятельного применения в технике. Известно семь типов структур ферритов. Разберем одну структуру, которая нашла широкое применение - структуру шпинели.

Шпинель имеет формулу МеО·Fе₂О₃ и состоит из окисла характеризующего металла и окисла трехвалентного железа. По названию характеризующего металла называют и сам феррит (железный, никелевый, кобальтовый и т.п.). Шпинель относится к кубической сингонии и имеет сложную решетку. В кубике, объемом 614 · 10ˉ³º м³ размещаются 8 атомов характеризующего металла, 16 атомов трехвалентного железа и 32 атома кислорода. Этот куб можно разбить на две сравнительно простые геометрические фигуры: тетраэдр и октаэдр, представленные на рисунке 49.

По углам этих фигур расположены ионы кислорода, а в центре фигур имеются поры, в которых располагаются металлические ионы. Всего в одной элементарной ячейке шпинели находится 64 тетраэдра и 32 октаэдра, из них только 8 тетраэдров и 16 октаэдров могут быть заняты металлическими ионами.

По углам этих фигур расположены ионы кислорода, а в центре фигур имеются поры, в которых располагаются металлические ионы. Всего в одной элементарной ячейке шпинели находится 64 тетраэдра и 32 октаэдра, из них только 8 тетраэдров и 16 октаэдров могут быть заняты металлическими ионами.

Рисунок 49

В зависимости от природы иона он имеет тяготение к той или иной поре в решетке шпинели. Например, ионы цинка тяготеют к порам внутри тетраэдра (подрешетка типа А), а ионы никеля стремятся разместиться в центре октаэдра (подрешетка типа В). Между ионами в решетке шпинели возникают обменные взаимодействия (при условии, что эти ионы обладают магнитным моментом). Всего может возникнуть три вида взаимодействия: АА, ВВ и АВ. Последний вид взаимодействия при прочих равных условиях является самым сильным. Поэтому, когда проявляется взаимодействие АВ, то остальные два вида не проявляются.

Взаимодействие между ионами кислорода не рассматривается по той причине, что ионы кислорода не обладают собственным магнитным моментом. Однако ионы кислорода участвуют в обменном взаимодействии, т.к. указанные три вида взаимодействия между металлическими ионами осуществляются через ионы кислорода. Такое опосредованное взаимодействие между ионами через ионы кислорода приводит к антиферромагнетизму, т.е. такому расположению магнитных моментов ионов, что они ока­зываются ориентированными по отношению друг к другу под углом 180° .

В результате всего вышесказанного все структуры шпинели можно разделить на три типа. Если ионы характеризующего металла занимают места в подрешетке А, то ионы трехвалентного желе­за располагаются все в подрешетке В. Такая структура называется, нормальной шпинелью. Цинковый феррит имеет именно такую структуру. Ионы цинка не имеют собственного магнитного момента, поэтому отсутствуют взаимодействия АА и АВ, а проявляется только взаимодействие ВВ, которое приводит к антиферромагнетизму. Магнитные моменты ионов трехвалентного железа ориентируются антипараллельно. В результате, каждая элементарная ячейка цинкового феррита со структурой нормальной шпинели имеет магнитный момент, равный нулю, и весь феррит оказывается немагнитным.

Если ионы характеризующего металла располагаются в подрешетке В, то ионы трехвалентного железа занимают оставшиеся места в подрешетке В (так располагается ровно половина ионов), а остальная половина размещается в подрешетке А. Такую структуру называют обращенной шпинелью. Она образуется у никелевого феррита. Ионы железа и ионы никеля имеют собственный магнитный момент, отличный от нуля, поэтому в принципе могут существовать все три вида магнитного взаимодействия, но реализуется практически только самое сильное взаимодействие АВ. В результате магнитные моменты подрешеток оказываются ориентированными антипараллельно и суммарный магнитный момент такого феррита оказывается отличным от нуля

Для никелевого феррита этот момент равен суммарному магнитному моменту ионов никеля. Такой феррит является магнитным. Наконец, возможна структура смешанной шпинели, когда ион характеризующего металла располагается и в подрешетке А, и в подрешетке В. Такое возможно, если ион характеризующего металла не имеет явного стремления занять одну из подрешеток или, если в силу чисто технологических условий получения феррита он не успевает расположиться только в одной подрешетке. Последняя причина может привести к тому, что, изменяя условия получения ферритов, можно создать смешанную шпинель практически у любого феррита (никелевого и цинкового) изменением технологического режима. Ферриты со структурой смешанной шпинели всегда обладают магнитными свойствами независимо от природы характеризующего металла. Однако общий вывод сводится к тому, что свойства магнитных простых ферритов низкие и они не лучше, а во многом и хуже свойств магнито-диэлектриков. Это объясняется большими значениями К и λ_s таких ферритов, а следовательно, значительной величиной H_с и низкими значениями M_н и M_max . Поэтому магнитные простые ферриты самостоятельного применения в качестве магнитомягких материалов в технике не нашли.

Распространение получили сложные ферриты. На рисунке 50 показаны зависимости различных свойств ферритов от их химического состава на примере сложного никель-цинкового феррита.

Следует помнить, что простой никелевый феррит имеет структуру обращенной шпинели и проявляет магнитные свойства. Цинковый же феррит имеет структуру нормальной шпинели и немагнитен. Таким образом, в магнитный материал с невысокими магнитными характеристиками добавляют совершенно немагнитный материал и характеристики сложного феррита, который при этом образуется, изменяются так, как это показано на рисунке 50.

Рисунок 50

С добавлением немагнитного феррита уменьшается точка Кюри θ, а K и λ_s приближаются к нулю. При введении достаточно большого количества немагнитного материала в магнитный можно получить немагнитный материал, при этом точка Кюри будет равна комнатной температуре , a θ и λ_s - нулю, так как это характеристики только магнитного состояния, а к немагнитному - они не применимы. Однако с изменением этих характеристик, согласно общим положениям теории коэрцитивной силы, уменьшается величина коэрцитивной силы материалов с многодоменной структурой, но это уменьшение вызывает увеличение магнитной проницаемости. Поэтому, добавляя в магнитный феррит совершенно немагнитный, можно получить сложный по составу феррит с магнитной проницаемостью большей, чем у простого магнитного феррита. При этом намагниченность изменяется по кривой с максимумом из-за перераспределения нескомпенсированных электронов в магнитоактивных атомах.

На рисунках 51 и 52 представлены зависимости намагниченности отдельных подрешеток сложных ферритов (кривые 1 и 2) и общей намагниченности сложного феррита от температуры (кривые 3). Если характер зависимостей для подрешеток одинаков (рисунок 51), феррит характеризуется точкой Кюри. Если же зависимости намагниченности подрешеток от температуры разные, то общая намагниченность феррита, которая представляет разность намагниченностей отдельных подрешеток, может менять знак (рисунок 52). Феррит характеризуется в этом случае не только температурой Кюри, но и температурой компенсации или точкой Нееля (θ_к).

Рисунок 51 Рисунок 52

Основными достоинствами ферритов являются:

1. Низкая электропроводность в силу того, что ферриты не является металлическими материалами. По составу и технологии получения это керамические материалы. В них преимущественно ионный тип связи и поэтому они относятся к диэлектрикам, поэтому в ферритах при работе на высоких частотах практически отсутствует вихревые токи. Это сравнительно дешевые материалы (во много раз дешевле тонколистового проката).

2. Высокая начальная магнитная проницаемость, которая во много раз больше, чем у магнито-диэлектриков. К тому же у ферритов можно получить любой тип гистерезисного цикла.

Ферриты имеют и недостатки:

1. У них малая величина намагниченности (индукции насыщения). Это объясняется тем, что у ферритов проявляется антиферромагнетизм. К тому же большая часть узлов кристаллической решетки в ферритах занята ионами кислорода, которые не вносят своего вклада в общий суммарный момент ферритов. Даже у лучших марок ферритов индукция насыщения не бывает больше 0,4 Тл. Это означает, что ферриты нецелесообразно применять для изготовления магнитных сердечников, работающих в сильных магнитных полях, т.к. в этом случае требуется большая площадь поперечного сечения магнитопровода.

2. У ферритов, как правило, не очень высокая точка Кюри (во всяком случае, у ферритов с высокой начальной магнитной проницаемостью). Чем выше магнитная проницаемость, чем ниже точка Кюри, что ясно из всего вышесказанного. Поэтому ферриты, как правило, имеют плохую термическую стабильность и сравнительно небольшие изменения температуры окружающего воздуха приводят к значительным изменениям всех магнитных характеристик ферритов. Существуют и другие причины нестабильности магнитных характеристик ферритов.