Матведответ

магнетиков. При изготовлении ферритовой керамики в качестве исходного сырья наиболее часто используют окислы соответствующих металлов. Исходные окислы подвергают тщательному измельчению и перемешивают в специальных мельницах тонкого помола, а затем проводят предварительный обжиг с целью образования феррита из окислов. Ферритизированный продукт вновь измельчают, и полученный таким образом ферритовый порошок идет на формовку изделий. Формирование изделий из ферритов производят прессованием деталей в стальных формах или выдавливанием стержней трубок через мундштук. Для улучшения прессуемости в порошок вводят пластифицирующие вещества: водный раствор поливинилового спирта, воду, реже — парафин. После введения пластификатора масса тщательно перемешивается и поступает на формовку. Заключительной технологической операцией, от которой в значительной степени зависит качество ферритовых изделий, является окончательный отжиг, в процессе которого происходит спекание изделий и заканчивается процесс ферритизации (температура окончательного отжига 1100 — 1400°С, отжиг проводится в контролируемой газовой среде). В процессе окончательного отжига завершаются химические реакции в твердой фазе, устраняется пористость, фиксируется форма изделий. За счет процесса рекристаллизации материал приобретает определенную зернистую структуру, которая существенно влияет на магнитные свойства ферритов. Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами, не допускающими производить обработку резанием и допускающими только шлифовку и полировку.

К ферритам для радиочастот относятся в первую очередь никельцинковые и марганеццинковые NiO-ZnO-Fe2O3

иMnO-ZnO-Fe2O3. Находят также применение литий цинковые, свинцовоникелевые и некоторые другие типы ферритов. Эти группы ферритов используют для изготовления сердечников различных трансформаторов, катушек индуктивности, фильтров магнитных антенн, деталей отклоняющих систем телевизионной аппаратуры

ит.д.

Для ферритов, используемых в переменных полях, обычно кроме начальной магнитной проницаемости, измеренной на высокой частоте, указывают тангенс угла потерь tgδ (или относительный тангенс угла потерь tgδ / Н), критическую частоту fКР и некоторые другие параметры.

Тангенс угла потерь и критическая частота. Экспериментально установлено, что для некоторой области изменения напряженности магнитного поля от нуля и выше (область Релея, определяемая обычно десятыми долями А/м) выражение для тангенса утла потерь в зависимости от f и Н может быть представлено следующим образом:

tgδ = δГН + δВf + δД, (Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..1)

где δГ, δВ, δД – коэффициенты, характеризующие соответственно потери на гистерезис, отнесенные к единице напряженности поля; на вихревые токи, отнесенные к единице частоты и на последействие (дополнительные потери).

Для ферритов составляющая потерь на вихревые токи мала и ею можно пренебречь. В областях очень слабых полей незначительными оказываются и потери на гистерезис. Следовательно, в области Релея потери определяются в основном величиной δД и возрастают с ростом частоты. Однако, при повышении частоты tgδ, начиная от некоторого определенного для каждой марки феррита значения, возрастает значительно быстрее, чем это можно предполагать согласно уравнению (4.4). Одновременно резко уменьшается магнитная проницаемость. Частота, при которой начинается возрастание угла потерь, называется критической частотой. Для определенности ввели понятие критической частоты fKP, при которой tgδ=0,1. Причины резкого возрастания потерь и уменьшения проницаемости с ростом частоты весьма сложны и объясняются главным образом релаксационными, а иногда и резонансными явлениями. Чем выше начальная проницаемость, тем ниже граничная частота.

Во многих случаях вместо tgδ удобнее пользоваться понятием относительного тангенса угла потерь tgδ/ Н. Относительный температурный коэффициент магнитной проницаемости ТК . Большая зависимость свойств ферритов от температуры по сравнению с другими магнитными материалами, особенно с магнитодиэлектриками, объясняется низкой точкой Кюри ферритов. Для некоторых ферритов ТК<100°С. Известно, что при температурах ниже точки Кюри, но близких к ней, имеют место значительные изменения проницаемости и других магнитных свойств.

Для оценки температурных изменений проницаемости используют температурный коэффициент магнитной проницаемости ТК :

	TK	T 2 T1
		T1	T2	T1

и относительный температурный коэффициент магнитной проницаемости:

	TK			T 2 T1			.
		T1		2	T T
				T1	2 1

Рабочей температурой Тр называют такую температуру, при которой проницаемость составляет 20% от номинального значения при 20°С. Практический интерес представляют вопросы стабильности магнитных свойств ферритов во времени. С течением времени проницаемость ферритов падает. Величина уменьшения сильно зависит от состава и условий изготовления, а также от температуры образцов. Можно считать, что начальная магнитная проницаемость замкнутого магнитопровода в течение первого года после изготовления ферритов падает на 3%. Дальнейшие изменения незначительны.

Детали из ферритов могут быть изготовлены любых форм.

Ферриты для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот для краткости обозначают буквой Н (низкочастотные). Критическая частота их для разных марок может лежать в пределах от 0,1 до 50 МГц, В маркировке высокочастотных ферритов имеются буквы ВЧ, критическая частота их 50 – 600 МГц. Далее в маркировке магнитомягких ферритов следуют буквы, обозначающие состав материала: М – марганеццинковый феррит, Н - никельцинковый и т.д. Ферриты марок ВЧ относятся к никельцинковым.

Магнитодиэлектрики. Магнитодиэлектрики представляют собой конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого разделены между собой в электрическом отношении изолирующими пленками немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой. Магнитные свойства магнитодиэлектриков в значительной степени определяются особенностями намагничивания совокупности отдельных ферромагнитных частиц, а, следовательно, их размерами и формой, взаимным расположением, соотношением между количествами ферромагнетика и диэлектрика. Магнитные параметры исходного ферромагнетика (наполнителя) влияют на параметры магнитодиэлектрика сравнительно мало. Магнитодиэлектрики, как и ферриты, обладая высоким удельным электрическим сопротивлением, являются высокочастотыми материалами. Они имеют некоторые преимущества перед ферритами, прежде всего более высокую стабильность свойств. Кроме того, особенности технологии производства магннтодиэлектриков, соответствующей технологии пластмасс, позволяют получить изделия значительно более высоких классов точности и чистоты. По ряду электромагнитных параметров магнитодиэлектрики уступают ферритам. Наиболее широко применяют магнитодиэлектрики на основе альсифера и карбонильного железа. Магнитодиэлектрики на основе альсифера. Альсифер представляет собой сплав алюминия, кремния и железа. Для магнитодиэлектриков применяют сплавы с содержанием 9-11% Si и 6-8% Аl. Значения коэффициентов потерь на гистерезис и последействия минимальны при содержании Si – 9,4-10.2% (при 7,5%А1) и А1 – 7,2-8% (при 10% Si). Важнейшая особенность альсифера состоит в том, что его температурный коэффициент магнитной проницаемости в зависимости от содержания 51 и А1 может быть больше. меньше или равен нулю. Альсифер является дешевым и недефицитным материалом. Все это обеспечило ему широкое применение в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков. В качестве связки при изготовлении магнитодиэлектриков на основе альсифера используют фенолформальдегидные смолы, полистирол и др.

Магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа. Технологический процесс производства сердечников из порошка карбонильного железа состоит в изолировании порошка, прессовании деталей и их низкотемпературной термической обработке для придания механической прочности и стабилизации свойств. Из магнитодиэлектриков изготавливают сердечники, которые применяются в индуктивных катушках фильтров, генераторов, частотомеров, контуров радиоприемников и т.п. Сердечники на основе карбонильного железа отличаются достаточно высокой стабильностью, малыми потерями, положительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости и могут быть использованы в широком диапазоне частот.

1.1.1.1.1.1.1.1.4650. Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы отличаются от мягких высокой коэрцитивной силой и остаточной индукцией (Нс>4000А/м, Вr>0,1Тл). Им соответствует широкая гистерезисная петля, т.е. они с большим трудом намагничиваются. Будучи намагниченными, магнитотвердые материалы могут долго сохранять магнитную энергию, т.е. служить источниками постоянного магнитного поля, поэтому их применяют главным образом для изготовления постоянных магнитов. Кроме того, магнитотвердые материалы применяют для записи и длительного хранения звука, изображения и т.п.

Магнитотвердые материалы классифицируют по основному способу получения. В соответствии с этим можно указать следующие группы.

1.Литые сплавы на основе Fе-Ni-Аl и Fe-Ni-Аl-Со, легированные медью, титаном, ниобием и некоторыми другими элементами.

2.Порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты), получаемые прессованием порошков с последующей термообработкой. Они подразделяются на металлокерамические (получаемые на металлических порошков путем прессования без связывающего материала и спекания при высокой температуре, по магнитным свойствам они лишь немного уступают литым магнитам, но дороже последних); металлолластические (изготовляют из порошков, но прессуют вместе с изолирующей связкой и подвергают нагреву до высокой температуры, необходимой для полимеризаций связующего ее вещества, они имеют пониженные магнитные свойства по сравнению с литыми сплавами, но обладают большим электрическим сопротивлением, малым удельным весом и относительно дешевы); оксидные <на основе феррита бария и на основе феррита кобальта, они обладают большой коэрцитивной силой, имеют большое удельное электрическое сопротивление, недостаток – значительная зависимость их свойств от температуры) и из микропорошков (из железа или на основе марганец-висмут-интерметаллического соединения).

3.Прочие магнитотвердые материалы:

а) мартенситные стали. Мартенситная структура получается посредством закалки стали - нагрева до температуры, при которой сталь представляет собой раствор углерода в железе, и последующего резкого охлаждения в воде или масле. При мартенситной структуре кристаллы железа резко искажаются вытягиваются в длину, создаются большие внутренние напряжения решетки, что вызывает большие значения коэрцитивной силы. Мартенситные стали начали применять раньше всех других материалов для постоянных магнитов. 8 настоящее время их используют сравнительно мало ввиду низких магнитных свойств. Однако полностью от них еще не отказываются, потому, что они недороги и допускают механическую обработку на металлорежущих станках;

б) пластически деформируемые сплавы. Эти сплавы обладают высокими в отношении механической обработки свойствами. Они хорошо штампуются, режутся ножницами, обрабатываются на всех металлорежущих станках. Из пластически деформируемых сплавов можно изготовить ленты, пластины, листы, проволоку. Марок пластически деформируемых сплавов много, и физические процессы, благодаря которым они имеют высокие магнитные свойства, различны. Наиболее распространены сплавы кунифе (Сu-Ni-Fе) и викаллой (Со-V).Сплавы кунифе анизотропны, намагничиваются в направлении прокатки, часто применяют в виде проволоки малых толщин, а также штамповок. Викаллой применяют для изготовления очень мелких ^магнитов сложной или ажурной конфигурации и в качестве высокопрочной магнитной ленты или проволоки; в) сплавы на основе благородных металлов. К ним относятся сплавы серебра с марганцем и алюминием

(сильманал) и сплавы платины с железом (77,8% Рt, 22,2% Fе) или платины с кобальтом (76,7% Рt, 23,3% Со). Материалы этой группы, особенно содержащие платину, очень дороги, поэтому их применяют только для сверхминиатюрных магнитов массой несколько миллиграммов. При использовании магнитов из всех сплавов этой группы широко используют металлокерамическую технологию; г) эластичные магниты. Важнейшим недостатком основных групп материалов для постоянных магнитов – литых

сплавов и магнитотвердых ферритов — являются их плохие механические свойства (высокая твердость и хрупкость). Применение же пластически деформируемых сплавов ограничено их высокой стоимостью. В последнее время появились магниты на резиновой основе. Они могут быть любой формы, которую допускает технология резины — в виде шнуров, длинных полос, листов и т.п. Такой материал легко режется ножницами, штампуется, сгибается, скручивается. Известно применение «магнитной резины» в качестве листов памяти для вычислительных машин, магнитов для отклоняющих систем в телевидении, корректирующих магнитов и др. Эластичные магниты изготовляются из резины и мелкого порошка магнитотвердого материала (наполнитель). В качестве наполнителя наиболее часто используют феррит бария; д) материалы для магнитных лент. Под магнитными лентами понимают носители магнитной записи

информации. Наибольшее распространение имеют сплошные металлические ленты из нержавеющей стали, биметаллические ленты и ленты на пластмассовой основе с порошковым рабочим слоем. Сплошные металлические ленты используют главным образом в специальных целях и при работе в широком температурном диапазоне; ленты на пластмассовой основе имеют более широкое применение. Основное назначение носителя магнитной записи заключается в создании на поверхности воспроизводящей головки магнитного поля, напряженность которого меняется (при протяжке ленты) во времени так же, как изменялся записываемый сигнал. Свойства лент с покрытием магнитными порошками существенно зависят не только от

свойств исходных материалов, но и от степени измельчения частиц, объемной плотности магнитного материала

врабочем слое, ориентации частиц при наличии у них анизотропии формы и т.п. Рабочий слой (или толщина металлической ленты) должен быть возможно более тонким, а сама лента -гладкой и гибкой для обеспечения максимального взаимодействия (магнитного контакта) между магнитными материалами ленты и головки. Остаточная намагниченность материала должна быть возможно более высокой. К коэрцитивной силе предъявляют противоречивые требования: для уменьшения саморазмагничивания необходимо по возможности более высокое значение Нс (не менее 24 кА/м), а для облегчения процесса стирания записи желательно малая Нс. Требования высокой остаточной намагниченности и минимальной чувствительности к саморазмагничиванию наилучшим образом удовлетворяются при прямоугольной форме размагничивающего участка петли гистерезиса, т.е. желательно иметь максимальное значение коэффициента выпуклости. Температурные и другие изменения магнитных свойств материала ленты должны быть наименьшими. Основные применения в технике магнитной записи имеют ленты на полимерной основе. Такие ленты приготавливают нанесением магнитного лака на тонкую пленку полимера. Магнитный лак состоит из магнитного порошка, связующего вещества, летучего растворителя и различных добавок, способствующих смачиванию и разделению частиц порошка и уменьшению абразивности рабочего слоя. Содержание магнетика

вжидком лаке составляет 30-40% (по объему),

Подавляющее большинство магнитных лент изготавливают на основе лавсана, обладающего высокой механической прочностью.

-Fe2O3 с мелкими однодоменными частицами

(ленты коричневого цвета).

Позднее появились ленты с магнитным слоем на основе CrO2. CrO2 позволяет получать магнитоактивные слои с -Fe2O3 коэрцитивной силой и повышенной чувствительностью к высоким частотам.

Преимуществом лент из диоксида хрома, имеющих черный цвет, является также малая электризуемость рабочего слоя.

-Fe2O3 и CrO2 , сочетает достоинста, присущие хромооксидному носителю информации, с хорошим воспроизведением низкочастотного спектра, что

-Fe2O3. Благодаря малой общей толщине рабочего слоя и полимерной подложке такие ленты удобны для применения в диктофонах и микрокассетных магнитофонах.

Наилучшими магнитными свойствами, необходимыми для записи и воспроизведения информации, обладают ленты панолимерной основе с рабочим слоем из мельчайших частиц химически чистого железа или ферромагнитных сплавов. Нанесение металлического слоя на лавсановую подложку осуществляется методами электроосаждения или испарениям конденсацией в вакууме. Эти ленты стоят намного дороже и предназначены для применения в профессиональной аппаратуре.

Магнитные ленты отечественного производства подразделяют и маркируют:

а) по основной области применения (первая буква в обозначении марки): А – звукозапись, Т- видеозапись, В - вычислительная техника; б) по материалу основы (первая цифра марки): 2 - диацетат, 3 - триацетат, 4 - полиэтилентерефталат;

в) по общей толщине ленты (вторая цифра марки); 0 - толщина менее 10 мкм, 1 - от 10 до 15 мкм, 2 - от15 до 20 мкм, 3 - от 20 до 30 мкм, 4 -л от 30 до 40 мкм и т.д. Стандартными толщинами являются 18. 27 и 37 мкм'. Третья и четвертая цифры марки характеризуют ширину ленты (в мм), округленную до целого числа. Код ленты для студийной записи заканчивается буквой Р, а для любительской (бытовой) - буквой Б, Например, марка магнитной ленты А4205-3Б, широко применяемой в компакт-кассетах, имеет следующую расшифровку: лента для звукозаписи на лавсановой основе, толщиной 18 мкм, порядковый номер разработки 0,5, шириной 3,8 мм, предназначена для использования в бытовой аппаратуре.

1.1.1.1.1.1.1.1.4751. Магнитные материалы специального назначения. Ферриты и металлические

сплавы с ППГ.

Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) находят широкое применение в устройствах автоматики, вычислительной техники. Сердечники из материала с ППГ имеют два устойчивых магнитных состояния, соответствующих различным направлениям остаточной магнитной индукции. Именно благодаря этой особенности их можно использовать в качестве элементов для хранения и переработки двоичной информации. Запись и считывание информации осуществляется переключением сердечника из одного

магнитного состояния в другое с помощью импульсов тока, создающих требуемую напряженность магнитного поля.

Двоичные элементы на магнитных сердечниках с ППГ характеризуются высокой надежностью, малыми габаритами, низкой стоимостью, относительной стабильностью характеристик. Они обладают практически неограниченным сроком службы, сохраняют записанную информацию при отключенных источниках питания. К материалам и изделиям этого типа предъявляются ряд специфических требований, а для их характеристики привлекают некоторые дополнительные параметры. Основным из таких параметров является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса КПУ, представляющий собой отношение остаточной индукции Вr к максимальной индукции ВМАХ:

КПУ = Вr/ВМАХ.

Для определенности ВМАХ измеряют при НМАХ = 5Нс. Желательно, чтобы КПУ был возможно ближе к единице. Для обеспечения быстрого перемагничивания сердечников они должны иметь небольшой коэффициент переключения, численно равный количеству электричества на единицу толщины сердечника, которое необходимо для перемагничивания его из одного состояния остаточной индукции в противоположное состояние максимальной индукции. Кроме того, материалы с ППГ должны обеспечивать малое время перемагничивания, возможно большую температурную стабильность магнитных характеристик, а, следовательно, иметь высокую температуру Кюри, Ферриты с ППГ в практике распространены шире, чем металлические тонкие ленты. Это объясняется тем, что технология изготовления ферритовых сердечников наиболее проста и экономична. У ферритов различных марок (всего имеется свыше 25 различных марок) Нс изменяется от 10 до 1200 А/м, Вr от 0,15 до 0,25 Тл, КПУ не менее 0.9, Sq - 25 – 55 мкКл/м, Тк – 110-630 °С. Ферритам свойственна спонтанная прямоугольность петли гистерезиса, т.е. специфическая форма петли реализуется при выборе определенного химического состава и условий спекания феррита, а не является результатом какой-либо специальной обработки материала, приводящей к образованию текстуры (Например, механических воздействий или обработки В сильном магнитном поле).

Из ферритов с ППГ наиболее широкое применение находят магний-марганцевые и литиевые ферро-шпинели. Установлено, что прямоугольная петля гистерезиса характерна для материалов с достаточно сильной магнитной кристаллографической анизотропией и слабо выраженной магнитострикцией. В этом случае процессы перемагничивания происходит главным образом за счет необратимого смещения доменных границ. Сохранение большой остаточной намагниченности после снятия внешнего поля объясняется локализацией доменных границ на микронеоднородностях структуры. Такими неоднородностями могут быть области с разной степенью обращенности шпинели, вакансии и связанные с ними комплексы, междуузельные атомы и др. Например, в магний-марганцевых ферритах спонтанная прямоугольность петли гистерезиса обусловлена тетрагональными искажениями кристаллической решетки за счет ионов Мп34, образующихся при определенных условиях синтеза.

При использовании ферритов следует учитывать изменение их свойств от температуры. Так, при возрастании температуры от минус 20 до плюс 60°С у ферритов различных марок коэрцитивная сила уменьшается в 1,5-2 раза, остаточная индукция на 15 - 30%, коэффициент прямоугольности – на 5-35%.

Взависимости от особенностей устройств, в которых применяются ферриты с ППГ, требования, предъявляемые к ним, могут существенно различаться. Так, ферриты, предназначенные для коммутационных и логических элементов схем автоматического управления, должны иметь малую коэрцитивную силу (10-20 А/м). Наоборот, материалы, используемый в устройствах хранения дискретной информации, должны иметь повышенное значение Нс (100-300 А/м).

Взапоминающих устройствах ЭВМ применяют либо кольцевые ферритовые сердечники малого размера

(имеются сердечники с наружным диаметром 0,3-0,4 мм), либо многоотверстные ферритовые платы, в которых область вокруг каждого отверстия выполняет функции отдельного сердечника. При использовании сердечников достигается более высокое быстродействие, однако: возникают технологические трудности при прошивке таких сердечников проводниками и сборке матриц.

Ленточные микронные сердечники из пермаллоев имеют лучшие магнитные свойства по сравнению с ферритами и более высокую температурную стабильность, У микронных сердечников из пермаллоев (толщины ленты от 2 До 10 мкм) Нс лежит в пределах от 8 до 50 А/м, Вr – 0,6-1,5 Тл, КПУ не менее 0,85 - 0,9, Sq - 25 - 100, Тк – 300-600 °С. В том же интервале температур (от минус 20 до плюс 60°С) свойства их практически не изменяются.

Прокатка микронной ленты, ее термообработка, требующая вакуума3 или атмосферы инертного газа, а также изготовление из ленты сердечников значительно сложнее, чем изготовление изделий из ферритов.

В последнее время в микроминиатюрных электронных приборах начали использовать магнитные пленки, наносимые на подложки методами распыления в вакууме.

1.1.1.1.1.1.1.1.4852. Ферриты для устройств СВЧ.

Диапазон СВЧ соответствует длинам волн от 1 м до 1 мм. 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.

Практическое использование ферритов СВЧ основано на а) магнитооптическом эффекте Фарадея; б) эффекте ферромагнитного резонанса; в) изменении внешним магнитным полем значения магнитной проницаемости феррита.

Магнитооптический эффект Фарадея заключается в повороте плоскости 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. При резонансе резко возрастает поглощение энергии электромагнитной волны, распространяющейся в волноводе в обратном направлении; для волны прямого направления поглощение оказывается значительно меньшим. В результате получается высокочастотный вентиль Рассмотренный эффект наиболее сильно проявляется в том случае, когда напряжение переменного возбуждающего и постоянного подмагничивающего полей взаимноперпендикулярны.

Если частоту внешнего поля поддерживать постоянной, а изменять напряженность подмагничивающего поля Н, то вентильные свойства феррита будут проявляться в довольно узком интервале напряженностей постоянного

поглощение электромагнитной энергии, что благоприятно сказывается на характеристиках ряда СВЧ-устройств (антенные переключатели и циркуляторы, служащие для распределения энергии между отдельными волноводами; фазовращатели; фильтры; модуляторы, ограничители мощности и др.).

Помимо достижения узкой линии резонанса к ферритам СВЧ предъявляют ряд специфических требований. Основными из них являются:

1)высокая чувствительность материала к управляющему полю (возможность у правления относительно слабым внешним полем);

2)высокие удельное объемное сопротивление (106-108 Ом•м) и возможно меньший тангенс угла диэлектрических потерь (10-3-10-4), а также возможно меньшее значение магнитных потерь вне области резонанса, обеспечивающее малое затухание в феррите;

3)температурная стабильность свойств и возможно более высокое значение точки Кюри.

В отдельных случаях к ферриту предъявляются и другие требования, которые могут быть противоречивыми. Большинство требований удовлетворяется при использовании магний-марганцевых ферритов с большим содержанием окиси магния. Для некоторых целей применяют литий-цинковые и никель-цинковые ферриты и ферриты сложного состава (полиферриты).

Конфигурация и размеры ферритового изделия, с одной стороны, определяются принципом действия прибора, а с другой, зависят от свойств самого материала. В различных приборах СВЧ применяемые ферритовые вкладыши имеют форму прямоугольной пластины, равностороннего треугольника, кольца, диска или сферы. При определенной геометрии вкладыша обеспечивается наилучшее согласование его с волноводом, т.е. получается минимальное отражение электромагнитной волны от феррита. Для изготовления вкладышей используются как поли кристаллические материалы, так и монокристаллы ферритов. Последние характеризуются более узкой шириной линии ферромагнитного резонанса.

Особое место среди материалов для СВЧ занимают феррогранаты иттрия с частичным замещением ионов иттрия и железа другими ионами. Они характеризуются весьма низкими диэлектрическими и магнитными потерями, слабой анизотропией, наиболее узкой резонансной кривой. Среди ферритов, применяемых в низкочастотной части диапазона СВЧ, феррогранат иттрия является наиболее распространенным. Монокристаллы феррогранатов обычно получают кристаллизацией из раствора - расплава с использованием оксифторида свинца (РbО + РbF2) в качестве растворителя.

1.1.1.1.1.1.1.1.4953. Цилиндрические магнитные домены

Образование цилиндрических магнитных доменов происходит в тонких магнитных пленках, под которыми понимают слои ферромагнитных и ферримагнитных веществ толщиной порядка микрона и менее. Особенностью тонких пленок является то, что при малой толщине их (h << а,b) направление легкого намагничивания оказывается расположенным в плоскости пленки. Образуются плоские домены.

Для очень тонких пленок характерна однодоменная структура, для пленок толщиной свыше 10'3 — 10'2 мм - многодоменная, состоящая из длинных узких доменов (шириной от долей мкм до нескольких мкм), намагниченных в противоположных направлениях. Под воздействием внешнего поля вся система полос может перемещаться и поворачиваться, и ее используют как управляемую дифракционную решетку для света и ближайшего диапазона волн электромагнитного спектра.

Особый интерес представляют монокристаллические пленки некоторых ферритов с одноосной магнитной анизотропией, под которыми понимают материалы, имеющие лишь одну ось легкого намагничивания. Если плоскость пленки перпендикулярна оси легкого намагничивания, то в отсутствие внешнего поля пленка обладает лабиринтной доменной структурой, т.е. вследствие одноосной анизотропии образуются домены с противоположным направлением спонтанной намагниченности (светлые и темные места на рис. 23,6). Внешнее поле, перпендикулярное плоскости пленки, изменяет геометрию доменной структуры. По мере увеличения напряженности поля сначала происходит разрыв лабиринтной структуры, домены принимают форму гантелей, а затем образуются цилиндрические магнитные домены (ЦМД), или «магнитные пузырьки» (рис. 23, в) При дальнейшем увеличении напряженности поля диаметр ЦМД постепенно уменьшается и при некотором значении Н вся пленка намагничивается однородно, т.е. цилиндрические домены исчезают. Отсюда следует, что ЦМД существуют только в определенном диапазоне значений напряженности поля НВНЕШ.

Для качественного объяснения причин образования ЦМД можно провести формальную аналогию между каплей жидкости, находящейся на твердой подложке, и доменамиНа каплю действует два рода сил: сила тяжести, под действием которой капля растекается по поверхности, и силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать капле форму сферы. На домен в отсутствие внешнего поля НВНЕШ. действуют также два рода сил: силы магнитостатического происхождения, стремящиеся растянуть домен, и силы, связанные с наличием энергии доменной стенки, стремящиеся сжать домен. Количественно в отсутствие поля это приводит к «растеканию» домена по поверхности с образованием лабиринтной структуры. Если создать поле НВНЕШ., то возникает третья сила, связанная с взаимодействием домена с внешним полем. Эта сила действует по направлению нормали к поверхности, т.е. сжимает домен. При достаточно большом значении напряженности поля НВНЕШ, образуется ЦМД.

Впервые ЦМД были обнаружены в ортоферритах, обладающих орторомбичсской структурой (иска-женной структурой типа перовскита) и имеющих химический состав МеFеОз, где Ме - трехвалентный ион иттрия или редкоземельного элемента. В дальнейшем устойчивые цилиндрические магнитные домены были получены в ферритах со структурой граната, гексаферритах и некоторых металлических магнитных пленках.

Линейные размеры ЦМД в ортоферритах составляют десятки или даже сотни микрометров, а в пленках феррогранатах – единицы микрометров.

Цилиндрические магнитные домены, существующие в определенном интервале Н, представляют большой интерес при создании логических и запоминающих устройств. При этом значению «1» соответствует наличие домена в определенной точке информационной среды, а значению «0» - его отсутствие. Если в плоскости пленки создать неоднородное магнитное поле, то можно наблюдать перемещение ЦМД под действием этого

-2-10-1 м2/(А•с)).

В настоящее время разработаны способы, позволяющие генерировать домены, управлять их перемещением, фиксировать их наличие или отсутствие в заданной точке (т.е. считывать информацию). Управление дискретным перемещением ЦМД в заданном направлении осуществляется с помощью магнитостатических ловушек. Распространенным способом создания таких ловушек является нанесение пермаллоевых аппликаций определенной конфигурации на поверхность ферритовой пленки.

Изменяя направление управляющего поля, действующего в плоскости пленки, можно изменять полярность магнитных зарядов на элементах аппликации. На рис. 24 полярность полюсов условно обозначена символами «+» и « – » ; предполагается, что цилиндрические домены выходят на поверхность пленки своими отрицательными полюсами, т.е. притягиваются к положительным магнитным зарядам на элементах аппликаций. При коммутации поля НУПР происходит переход ЦМД с одной аппликации на другую.

Считывание информации может быть осуществлено, например, с помощью датчиков Холла или магниторезисторов. В холловском датчике индуцируется э.д.с. под действием магнитного поля домена, а в магниторезисторах используется эффект изменения электрического сопротивления материала в магнитном поле.

Устройство на ЦМД характеризуется большой информационной емкостью и малой потребляемой мощностью.

1.1.1.1.1.1.1.1.5054. Диэлектрики. Поляризация диэлектриков

В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов (носителей заряда), всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под действием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные – в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные - в обратном направлении. В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуцированный (наведенный)

электрический момент dр. Образование индуцированного электрического момента в диэлектрике представляет собой явление поляризации. Количественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к

этому объему, когда последний стремится к нулю:
Р = dV/dр.	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..2)

Поляризованность – векторная величина, ее направление совпадает с направлением электрического момента - от отрицательного заряда к положительному. Так как электрический момент измеряется в Кл·м, а объем в м3, то формула (5.1) дает единицу модуля поляризации - кулон на квадратный метр (Кл/м2).

Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствие поля. В некоторых случаях поляризация диэлектриков появляется под действием механических напряжений.

Электронная поляризация. При приложении напряжения в диэлектрике создается электрическое поле с напряженностью Е, силы которого действуют на атомы диэлектрика. Под действием этих сил электроны в каждом из атомов смещаются относительно своего ядра в сторону положительного электрода (рис. 25). Это упругое смешение электронов происходит во всех атомах данного диэлектрика. Смещенные электроны образуют с положительными зарядами ядер атомов пары связанных друг с другом электрических зарядов,

которые называются диполями. Образование упругих диполей в диэлектрике происходит мгновенно (в течение 10-15-10-16 с). Также мгновенно упругие диполи исчезают, если с диэлектрика снять напряжение.

Электронная поляризация - это упругое смещение электронных оболочек относительно ядра в атомах диэлектрика (рис. 26). Электронная поляризация протекает во всех диэлектриках без исключения. Мгновенное смещение электронов в диэлектрике и образование упругих диполей внешне проявляет себя в виде тока смещения в диэлектрике.

У ионных кристаллических диэлектриков (слюда, электрокерамика) наряду с электронной поляризацией имеет место ионная поляризация, представляющая собой упругое смещение ионов с мест своего закрепления (на расстояние, меньшее периода кристаллической решетки). Ионная поляризация устанавливается за время 10-13- 10-14 с. Ионная поляризация больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т.е. являются многовалентными (рис. 27).

Смещению ионов под действием поля препятствуют упругие силы химической связи. В состоянии равновесия

qЕ = kУПР х,	( Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..3)

где kУПР - коэффициент упругой связи, х - смещение ионов, обусловленное внешним электрическим полем. Смещение двух разноименно заряженных ионов приводит к появлению элементарного электрического момента:

рИ =q х =q2Е/kУПР. (Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..4)

Сумма всех таких элементарных моментов, приходящихся на единицу объема, определяет ионный вклад в поляризованность диэлектрика.

Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков, т.е. для диэлектриков, у которых молекула даже в отсутствии внешнего электрического поля будет представлять собой электрический диполь с отличным

нуля постоянным электрическим моментом рП = ql, где q - суммарный положительный (или численно равный ему суммарный отрицательный) заряд молекулы; l - расстояние между суммарными зарядами, т.е. плечо диполя. Сущность дипольной поляризации заключается в повороте (ориентации) направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент. Более строго дипольную поляризацию можно объяснить не как непосредственный поворот полярных молекул под действием внешнего электрического поля, а как внесение этим полем некоторой упорядоченности положение полярных молекул, непрерывно совершающих хаотические тепловые движения (рис.27).

Процесс установления дипольной поляризации после включения диэлектрика под напряжение (или процесс ее ликвидации после снятия напряжения) требует относительно большого по сравнению с практически безинерционными явлениями электронной и ионной поляризацией времени. Поляризованность РД дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:

РД=РД(0)ехр(-t/ ). (Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..5)

Постоянную времени этого процесса называют временем релаксации. Если период приложенного переменного напряжения меньше , то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем и дипольная поляризация не дает вклада в поляризованность диэлектрика. Так как обычно имеет порядок 10-6-10-10 с, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах ниже 106 - 1010 Гц. При понижении температуры сильно возрастает.

Миграционная поляризация - эта поляризация наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. В диэлектриках с полупроводящими включениями этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела. Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.

Спонтанная поляризация — протекает у особого вида диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация - это поляризация, возникающая под влиянием внутренних процессов в диэлектрике, без внешних воздействий. Внутри сегнетоэлектриков имеются области (домены) со слабо связанными диполями. В каждом из доменов электрические моменты диполей направлены одинаково, но в разных доменах моменты диполей направлены противоположно. Поэтому электрические моменты твердых диполей взаимно уравновешены и общий электрический момент сегнетоэлектрика равен нулю. Если к сегнетоэлектрику приложить малое напряжение, в нем создается эффект очень сильной поляризации. Под действием электрических сил слабосвязанные диполи начнут переориентироваться и через некоторый промежуток времени происходит переориентация вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнего электрического поля.

Наряду с этим в сегнетоэлектрике протекают процессы ионной и электронной поляризации.

Диапазон значений различных диэлектриков составляет шесть порядков. Самую низкую имеет вакуум, для которого она равна единице. Относительная диэлектрическая проницаемость для всех диэлектрических материалов больше единицы.

Относительную диэлектрическую проницаемость, близкую к единице, имеют газообразные диэлектрики. Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных жидких диэлектриков лежит обычно в диапазоне от 1,8 до 2,2. Неполярные твердые материалы имеют относительную диэлектрическую проницаемость от 1,9 до

2,3.

Относительная диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков лежит в диапазоне от 3 до нескольких десятков и сильно зависит от температуры и частоты переменного поля.

Различные виды аморфных и кристаллических ионных материалов имеют относительную диэлектрическую проницаемость от 10 до 1000.

Наибольшие известные значения относительной диэлектрической проницаемости (порядка 105 - 106 ) имеют некоторые сегнетоэлектрические материалы при температуре вблизи сегнетоэлектрической точки Кюри. Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется диэлектрической проницаемостью = СД/С0 , где СД - емкость конденсатора с данным диэлектриком; С0 - емкость того же конденсатора в вакууме (т.е. геометрическая емкость между электродами).

Для большинства диэлектриков в слабых электрических полях поляризованность пропорциональна напряженности поля

Р = 0( -1)Е = 0χЕ ,	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..6)
где = 1 + χ	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..7)
χ - диэлектрическая восприимчивость;

0= 8,85·10-12 Ф/м — электрическая постоянная.

Диэлектрическую проницаемость сложных диэлектриков, представляющих собой смесь химически невзаимодействующих друг с другом компонентов с различными диэлектрическими проницаемостями, можно в первом приближении (при не слишком большом различии компонентов) определить на основании уравнения Лихтенеккера, с помощью которого в общем случае рассчитывают самые различные свойства (например, теплопроводность, показатель преломления и др.);

Х = Q1 1X + Q2 2X	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..8)

где , 1, 2 – соответственно относительные диэлектрические проницаемости смеси и отдельных компонентов; Q1 и Q2 объемные проницаемости смеси и отдельных компонентов; Q1 + Q2 = 1; х — величина, характеризующая распределение компонентов и принимающая значения от +1 до -1.

При параллельном включении компонентов х = +1 и выражение (5.7) имеет вид:

= Q1 1

+ Q2 2.

(Ошибка! Текст

указанного стиля в документе отсутствует..9)

При последовательном включении компонентов, когда х = –1:

1

Q1

Q2

(Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..10)

1

2

.

Если оба компонента распределены хаотически (что имеет место в ряде интересующих нас

технических диэлектриков, например, в керамике), то после преобразования (у=аХ; у'=аlnХ) уравнения

Лихтенеккера и подстановки х=0, получим

ln =Q1·ln( 1) + Q2·ln( 2).

(Ошибка! Текст

указанного стиля в документе отсутствует..11)

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости сложного диэлектрика определяют

дифференцированием уравнения (5.10) по температуре:

1

d

Q1 d 1

Q2

d

( Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..12)

2

.

dT

1 dT

2 dT

Влияние внешних факторов на диэлектрическую проницаемость. У неполярных

диэлектриков температура на процесс поляризации непосредственно не влияет. Электронная поляризуемость молекулы от температуры не зависит. Однако вследствие теплового расширения вещества количество поляризующихся молекул в единице объема уменьшается и при повышении температуры должна уменьшаться (рис. 29 а,б), т.е. температурный коэффициент диэлектрической проницаемости отрицателен. Резкое изменение на графике (а) для кристаллического диэлектрика – парафина – объясняется резко выраженным фазовым переходом твердое-жидкость, связанным со скачкообразным изменением объема и плотности. У большинства твердых ионных диэлектриков (кристаллы, стекла, керамические материалы и др.) при росте температуры увеличивается (рис. 29,г), что связано с ростом ионной поляризуемости. Исключением являются вещества с высокой -рутил, перовскит и др., у которых температурный коэффициент диэлектрической проницаемости отрицательный. У полярных диэлектриков в области низких температур ориентация диполей обычно невозможна, т.к. t очень велико. При повышении температуры уменьшается и появляется дипольная поляризация, что обусловливает значительное увеличение . Однако при дальнейшем росте температуры начинает влиять усиление хаотических колебаний молекул и соответственно уменьшается вероятность упорядоченности их ориентации; это приводит к тому, что в зависимости (Т) появляется типичный дипольный максимум (рис. 29,в).