225
взаимодействие, причем наиболее сильным является взаимодействие по типу А—О—В. Не рассматривая причины установления указанного магнитного порядка, отметим, что суммарная намагниченность ферритов-гранатов определяется выражением:
|
Is=IsА- IsВ- IsС. |
(7.8) |
Кроме указанных |
выше кристаллических структур, практическое |
|
значение специального характера имеют монокристаллические |
ферриты с |
|
ярко выраженной одноосной анизотропией ¾ортоферриты (общая формула |
||
RFeO3) и гексагональные |
ферриты (BaFe12O19; BaAl4Fe8O12; PbAl4Fe8O12), |
|
которые вместе с феррогранатами используются в качестве рабочих тел магнитооптических устройств и устройств памяти на ЦМД (см. раздел 9.6).
7.6.2 Свойства, параметры и характеристики магнитомягких феррошпинелей
Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Благодаря невысокой стоимости и относительной простоте технологического цикла керамические материалы занимают ведущее место среди высокочастотных магнетиков.
Основная реакция |
МеО+Fe2O3=MeFeO4 (для |
двухвалентного элемента |
|
||||||
Ме2+¾ Ni, Mn, Co, Fe, Mg, Zn, Cd и др.), |
или Me2O+5Fe2O3=2MeFe5O8 (для |
|
|||||||
одновалентного элемента Ме+¾ Li, Na, Cu и др.) происходит |
при спекании |
|
|||||||
порошков |
окислов |
|
соответствующих |
металлов. В |
отличие |
от |
|||
электрорадиокерамики |
ферритовая |
керамика совершенно не содержит |
|||||||
стекловидной фазы; все процессы массопереноса при синтезе соединения и |
|||||||||
спекания изделий происходят лишь за счет |
диффузии в твердой. фазе |
||||||||
Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами, и их механическая |
|
||||||||
обработка затруднена. |
|
|
|
что элемент Ме |
|
|
|
||
Следует обратить внимание на , |
может быть |
и |
|||||||
непереходным, то есть не проявляющим магнитные свойства(см. список |
|
||||||||
элементов, |
представленный |
выше). Как |
|
правило, |
наилучшими |
свойствами |
|
||
магнитомягкие ферриты обладают при смешивании двух ферритовых фаз¾ |
|
||||||||
магнитной и немагнитной. |
|
|
|
|
|
|
|
||
226
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 (NiFe2О4 или MnFe2О4) является ферримагнетиком, а другой (ZnFe2О4) — немагнитен. Основные закономерности изменения магнитных свойств в зависимости от состава в подобных системах твердых растворов
представлены |
на рисунке7.8 |
на примере никель-цинковых ферритовых |
|||||||||||||||
смесей. |
|
|
Чтобы |
|
|
объяснить |
|
|
|
|
|
|
|
||||
наблюдаемые |
|
|
|
закономерности, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
необходимо |
принять |
во |
внимание, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
что |
катионы |
|
цинка |
в |
структуре |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
шпинели |
|
|
|
всегда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
тетраэдрические |
|
|
|
кислородные |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
междоузлия, |
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
трехвалентного |
|
|
железа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
находиться как в тетра- , так и в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
октаэдрических |
|
|
|
промежутках. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Состав твердого раствора с учетом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
распределения |
|
|
катионов |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
кислородным |
междоузлиям |
можно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
охарактеризовать |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
1-x |
|
|
|
|
||||||
формулой: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
2+ |
3+ |
|
2+ |
|
3+ |
|
(7.9) |
Рисунок 7.8 - Зависимость |
|
|||||||
(Zn1-x Fex |
)[Nix |
Fe2-x ]O4 , |
индукции насыщения |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
которая |
|
|
|
указывает |
BS(Т = 20 °С) и температуры |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
на |
от состава твердых |
|
||||||||||
амфотерность |
получаемой |
шпинели. |
Кюри TK |
|
|||||||||||||
растворов NiFe2O4¾ZnFe2O4 |
|
||||||||||||||||
Видно, |
что |
вхождение |
цинка |
|
|||||||||||||
в |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
кристаллическую |
|
решетку |
сопровождается |
вытеснением |
железа |
||||||||||||
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 |
парадоксальный |
|
: эффектувеличение |
||||||||||
концентрации |
|
|
немагнитного |
компонентаZn |
до |
содержания(1-х)£0,3 |
|||||||||||
приводит к увеличению намагниченности насыщения твердого раствора (см. рисунок 7.8). Имеется и обратный эффект— разбавление твердого раствора немагнитным ферритом вызывает ослабление основного обменноговза
имодействия |
типа А—О—В, что, |
в |
частности, выражается |
в монотонном |
||
снижении температуры Кюри при увеличении мольной долиZnFe2O4 в |
||||||
составе феррошпинели. |
Быстрый |
|
спад |
индукции насыщения в области |
||
(1-х)>0,5 объясняется |
тем, что |
обменное |
взаимодействие типаА—О—В |
|||
становится |
настолько |
слабым, что |
не |
может подавить |
конкурирующее |
|
227
взаимодействие типа В—О—В, которое стремится вызвать антипараллельную ориентацию магнитных моментов катионов Вв-подрешетке. Ослабление обменного взаимодействия между катионами при увеличении содержания немагнитного компонента приводит к уменьшению констант магнитной кристаллографической анизотропии и магнитострикции, благодаря чему облегчается перемагничивание ферримагнетика в слабых полях, то есть
возрастает mН. Отсюда |
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, являютсяполя |
||||
микроскопические поры, включения побочных фаз, участки с дефектной |
|||||||||
кристаллической решеткой и др. Устранение этих структурных барьеров, |
|||||||||
затрудняющих |
процесс |
намагничивания, позволяет |
существенно повысить |
||||||
магнитную проницаемость материала. Большое влияние на значениеmН ферритов оказывает размер кристаллических зерен. Марганец-цинковые ферриты с крупнозернистой структурой(со средним размером кристаллитов порядка 40 мкм) могут обладать начальной магнитной проницаемостью до 20000. Это значение mН близко к начальной магнитной проницаемости лучших марок пермаллоя.
Свойства ферритов могут быть лишь частично описаны всеми теми параметрами и характеристиками, которыми описываются низкочастотные ферромагнитные материалы (см. подраздел 6.3). В связи с тем, что ферриты предназначены для работы в условиях высоких частот, каки правило, при низких уровнях индукции, они характеризуются и другими параметрами, которые ниже будут выделены жирным курсивом.
Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной
магнитной |
проницаемости mН важнейшей характеристикой является |
тангенс угла |
магнитных потерь tgd. Благодаря низкой проводимости |
составляющая потерь на вихревые токи в ферритах , малаиею можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на гистерезис (петлеобразность характеристики В(Н) слабо выражена).
Поэтому |
значение tgd в |
ферритах на высоких частотах в основном |
определяется магнитными потерями, обусловленными релаксационными и |
||
резонансными явлениями. При этом инерционность смещения доменных |
||
границ |
приводит не только |
к ростуtgd, но и к снижениюmН. Для оценки |
допустимого частотного диапазона, в котором может использоваться данный |
||
материал, вводят понятия критической частоты fкр, или граничной частоты |
||
fгр. Под fкр понимают такую |
частоту, при которой tgd, возрастая достигает |
|
228
значения 0,1, |
а |
под |
fгр |
понимают такую частоту, при которой начальная |
|||||||
магнитная проницаемость уменьшается до0,7 от ее значения в постоянном |
|||||||||||
или |
низкочастотном |
|
магнитном |
поле(статического значения mНст). |
Как |
||||||
правило, |
fкр< fгр , но с практической точки зрения эти два параметра близки |
||||||||||
(одного порядка) и оба могут быть названы предельной частотой( рисунок |
|||||||||||
7.9). |
Для |
сравнительной |
оценки |
качества |
магнитомягких ферритов при |
||||||
заданных |
|
значениях Н |
и f |
удобной |
характеристикой |
является |
|||||
относительный тангенс угла потерь, tgd/mН. |
|
|
|||||||||
|
У любого магнитного материала на зависимостиtgd (f) отсутствует |
||||||||||
низкочастотный |
гиперболический |
|
|
|
|
||||||
спад, |
характерный |
|
|
|
|
|
|
||||
диэлектриков |
|
(формально |
|
|
|
|
|
||||
диэлектриков tgd (0)=¥) и |
|
|
|
|
|||||||
связанный |
|
|
с |
|
|
|
|
|
|
||
проводимости, |
что |
|
вполне |
|
|
|
|||||
очевидно, |
поскольку |
|
свободных |
|
|
|
|
||||
магнитных зарядов в природе не |
|
|
|
|
|||||||
существует. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Сравнение |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
свойств |
|
ферритов, |
имеющих |
|
|
|
|
||||
одинаковую |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
магнитную |
|
|
|
проницаемость |
|
|
|
||||
показывает, что |
в области |
частот |
Рисунок 7.9- Пояснение к определению |
||||||||
до |
1 МГц |
|
марганец-цинковые |
предельных частот для mН и tgd. |
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||||
ферриты |
|
имеют |
|
существенно |
|
|
|
||||
меньший относительный тангенс угла потерь, чем никель-цинковые ферриты. |
|||||||||||
Это объясняется очень малыми потерями |
|
|
|||||||||
на гистерезис у марганец-цинковых фер- |
|
|
|||||||||
ритов 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 |
|
|
|
|||||
лучшими |
|
|
частотными |
|
|
|
|
||||
(большими предельными частотами). |
|
|
|
|
|||||||
|
Для |
ферритов, используемых |
в |
|
|
||||||
контурных |
|
катушках |
индуктивности, |
|
|
||||||
важнейшей |
|
характеристикой |
является |
|
|
||||||
зависимость |
mН |
|
от |
температуры. Рисунок 7.10 - |
|
||||||
Соответственно, |
важнейшим |
параметром |
|
|
|||||||
является |
температурный |
коэффициент Зависимость начальной |
|
||||||||
магнитной проницаемости от температуры для марганец-цинковых и никель-цинковых
229
начальной |
магнитной |
|
проницаемости |
mНТК. Аналогично |
вводятся |
|
||||||||||||||
температурные |
коэффициенты |
|
|
других |
магнитных |
|
величин(индукции |
|
||||||||||||
насыщения, коэрцитивной силы и др.). Зависимость начальной магнитной |
|
|||||||||||||||||||
проницаемости некоторых ферритов от температуры приведена на рисунке |
|
|||||||||||||||||||
7.10. |
Как |
видно |
из |
|
представленных |
здесь |
, |
кривыхтемпературная |
|
|||||||||||
стабильность магнитных свойств марганец-цинковых и никель-цинковых |
|
|||||||||||||||||||
ферритов плохая. |
Значение mН |
повышается с ростом температуры до точки |
|
|||||||||||||||||
Кюри и затем резко падает. ЗависимостиmН (Т) и их объяснение аналогичны |
|
|||||||||||||||||||
зависимостям e (Т) сегнетоэлектриков (см. пункт 5.1.3). |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
Для уменьшения ТКmН |
используют технологические и конструктивные |
|
|||||||||||||||||
методы. Технологический метод состоит во введении небольших добавок |
|
|||||||||||||||||||
некоторых веществ (например, |
СоО), что, как |
показали исследования, |
|
|||||||||||||||||
благоприятно |
действует |
|
|
на |
|
температурные |
|
свойства . |
ферр |
|||||||||||
Конструктивный |
метод |
заключается |
в |
создании |
в |
магнитной |
це |
|||||||||||||
воздушного зазора. При этом суммарный температурный коэффициент всей |
|
|||||||||||||||||||
цепи уменьшается, но это сопровождается также падением магнитной прони- |
|
|||||||||||||||||||
цаемости. |
|
ТКmН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Наряду с |
для характеристики термостабильности ферритов |
|
|||||||||||||||||
пользуются относительным температурным коэффициентом начальной |
|
|||||||||||||||||||
магнитной проницаемости am. = (ТКmН) / mН.. В первом приближении можно |
|
|||||||||||||||||||
считать, что am. и m. уменьшаются пропорционально друг другу. |
|
|
||||||||||||||||||
|
К недостаткам ферритов(по отношению к ферромагнетикам) следует |
|
||||||||||||||||||
отнести не только температурную, но и |
временную |
нестабильность |
|
|||||||||||||||||
магнитных |
свойств (старение). |
|
Коэффициент |
начальной |
временной |
|
||||||||||||||
нестабильности |
Kt |
магнитной |
проницаемости (или |
другой |
величины) |
|
||||||||||||||
аналогичен температурному коэффициенту, только относительное изменение |
|
|||||||||||||||||||
величины делится не на разность температур, |
на |
разность |
логарифмов |
|
||||||||||||||||
времени измерения этой величины: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
K t |
= |
μt2 |
- |
μt1 |
|
|
1 |
|
. |
|
|
|
|
(7.10) |
|
|
|
Коэффициент Kt |
|
μt1 |
|
|
|
lg(t2 /t1 ) |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
обычно дается для заданного промежутка времени. |
|
||||||||||||||||||
|
Временную нестабильность магнитных свойств характеризуют также |
|
||||||||||||||||||
относительной |
дезаккомодацией |
|
начальной магнитной |
проницаемости |
|
|||||||||||||||
DF, |
определяемую по формуле(7.10) с тем отличием, что относительное |
|
||||||||||||||||||
изменение |
mН |
определяют |
после |
так |
называемой |
|
магнитной встряски |
|||||||||||||
(циклическое перемагничивание, магнитное импульсное воздействие и др.). |
|
|||||||||||||||||||
|
Ферриты |
характеризуются |
|
|
|
большой |
|
зависимостьюреверсивной |
|
|||||||||||
магнитной |
проницаемости mР |
(см. |
подраздел |
6.3) |
от |
напряженности |
|
|||||||||||||
подмагничивающего |
поля Н (рисунок |
7.11,а). Благодаря |
незначительному |
|
||||||||||||||||
действию вихревых токов зависимостьmР(Н) остается неизменной при |
|
|||||||||||||||||||
изменении |
частоты |
сигнала в |
широком диапазоне |
частот. Это |
позволяет |
|
||||||||||||||
230
применять ферриты, например, в схемах дистанционной настройки, перестраиваемых подмагничиванием, что для других магнитных материалов (металлических или магнитодиэлектриков) практически невозможно. В этом режиме работы кроме рабочих обмоток ферритовое кольцо содержит обмотку
подмагничивания по которой пропускается постоянный ток значение которого определяет уровень поля подмагничивания(рисунок 7.11,б). Для магнитодиэлектриков зависимость mР(Н) мало выражена.
Как правило, зависимость mР(Н) монотонно убывающая. Таким образом, реверсивную магнитную проницаемость можно изменять от максимального значения (равного начальной проницаемостиmР(0) º mН) до некоторого минимального значения mРмин º mР(Нмакс), измеренном при некоторой максимально допустимой напряженности поля. Поскольку резонансная частота контура, в которую включен индуктивный элемент с перестраиваемой частотой, обратно пропорциональна 
mН , свойства ферритов, используемых
для перестройки частоты контуров, удобно характеризовать коэффициентом
перестройки частоты:
|
K f = |
f рез макс |
º |
|
|
μН |
|
|
. |
(7.11) |
|
|
f рез мин |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
μРмин |
|
|
|||||
Для некоторых марок ферритов наблюдается эффектпорогового |
|
||||||||||
высокочастотного поля ¾ необратимые изменения коэрцитивной силы при |
|
||||||||||
превышении |
высокочастотной |
|
|
составляющей |
напряженности |
пол |
|||||
некоторого |
значения Нпор. Пороговое |
|
высокочастотное поле является |
|
|||||||
предельно допустимым параметром этих ферритов.
|
К источнику |
К колеба- |
|
постоянного |
тельному |
|
тока |
контуру |
|
|
|
а) |
б) |