Свойства ферритов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Свойства феррита в постоянном магнитном поле

Под действием постоянного магнитного поля феррит приобретает анизотропные свойства. Его магнитная проницаемость для переменных электромагнитных полей становится тензорной величиной. В связи с этим рассмотрим процессы в намагниченном феррите.

Как известно, электроны в атомах любого вещества обладают та называемым орбитальным и собственным (спиновым) магнитным моментом. Установлено, что свойства ферромагнитных веществ связаны главным образом со спиновым магнитным моментом. На этом основании упрощенную модель атома с некомпенсированным электронным спином можно представить в виде «волчка», обладающего спиновым магнитным моментом и собственным механическим моментом количества движения (появление которого объясняется вращением электрона вокруг собственной оси). Как показывает теория, моменты имеют противоположные направления и связаны между собой соотношением:

(2.1)

где - заряд электрона;

- масса электрона.

Знак минус указывает на то что механический и магнитный моменты антипараллельны из-за отрицательного заряда электрона.

Подставляя в (2.2) из (2.3) с учетом (2.1) получим

(2.4)

Пусть - произвольно ориентированный вектор.

(2.5)

Тогда уравнение (2.4) можно заменить тремя скалярными

Совместное решение первых двух уравнений дает

Так как тангенс угла ц между осью x и проекцией равен

Из этих рассуждений следует, что вектор вращается относительно оси z с угловой частотой частота гиромагнитного резонанса. (2.8)

Таким образом, магнитные моменты атомов начинают прецессировать вокруг него с угловой частотой Если бы не было затухания, прецессия магнитного момента продолжалась бы бесконечно долго.

За счет тепловых потерь конец вектора движется по спирали и через очень короткое время называемое временем релаксации, все магнитные моменты выстраиваются вдоль поля.

Физическая причина прецессии заключается в том, что на электрон действует одновременно магнитный вращательный момент связанный с магнитным полем, и механический вращательный момент с полем не связанный.

В отсутствие внешнего магнитного поля вектор намагниченности в однородном кристалле феррита самопроизвольно ориентируется вдоль

определенных кристаллографических осей, называемых осями легкого намагничивания (легкими осями). Дня изменения направления необходимо затратить определенную энергию путем приложения внешнего магнитного поля. Направления, в которых эта энергия максимальна, называется осями трудного намагничивания (трудными осями).

Для образцов конечных размеров, изготовленных из моно- или поликристаллов ферритов, характерна доменная структура. Домен представляет собой макроскопическую область (линейный размер 1…100 мкм), в пределах которой направление сохраняется неизменным. В отсутствие внешнего поля образец разбивается на большое число доменов, намагниченности которых ориентированы так, что их геометрическая сумма равна нулю. Образец при этом не создает в окружающем пространстве магнитного поля и его состояние называют ненамагниченным. При приложении достаточно большого внешнего поля происходит ориентация намагниченностей всех доменов в направлении поля, в результате чего образец переходит в намагниченное до насыщения состояние.

Процесс намагничивания феррита характеризуется кривой намагничивания, представляющей собой зависимость величины индукции магнитного поля в феррите Bi от напряженности прикладываемого магнитного поля Hi,. Вид кривой намагничивания зависит от исходного состояния материала. Кривая, получаемая при исходном ненамагниченном состоянии, называется основной, ее типичный вид представлен на рисунке 2. В области небольших значений Hi ход кривой определяют процессы смещения границ доменов (участок 1), с увеличением Hi происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении поля (участок 2); линейному участку 3 зависимости Bi(Hi) соответствует полное насыщение феррита.

Зависимость Bi (Hi) при циклическом перемагничивании называется петлей гистерезиса, характерными параметрами которой являются коэрцитивное поле Hc и остаточная индукция Br (см. рисунок 2). В зависимости от величины Hc различают магнитомягкие (Hc 0) и магнитотвердые (|Hc|>0) материалы. Большинство используемых в настоящее время СВЧ ферритов относятся к магнитомягким материалам.

2. Электрические параметры феррита

Ферриты - это магнитные материалы, представляющие собой смесь окислов металлов и обладающие ферромагнетизмом. Магнитомягкие ферриты - это ферриты с коэрцитивной силой по индукции не более 4 кА/м.

Одним из основных достоинств ферритов является высокое удельное электрическое сопротивление в сочетании с достаточно высоким значением магнитной проницаемости; индукция насыщения ферритов меньше, чем металлических магнитных материалов. Особенно выгодно применение их на высоких частотах при малых индукциях. По электрическим свойствам ферриты представляют собой полупроводники, проводимость которых возрастает с повышением температуры. Эффективная удельная электрическая проводимость ферритов увеличивается с возрастанием частоты. На низких частотах ферриты обладают высокой относительной диэлектрической проницаемостью примерно 10⁵. Одновременно высокое значение относительных магнитной м и диэлектрической е проницаемостей может приводить к нежелательному объемному резонансу. При объемном резонансе потери резко возрастают, а магнитная проницаемость уменьшается. Для сердечников из марганец-цинковых ферритов с поперечным сечением 1 смІ е?10⁵ частота объемного резонанса приблизительно равна 1 МГц.

При применении ферритов необходимо учитывать их эксплуатационные характеристики.

Область применения каждой марки феррита определяется критической частотой, выше которой резко возрастают потери и снижается магнитная проницаемость. Магнитные свойства ферритов резко меняются при одновременном наложении постоянных и переменных полей. Кроме того, после воздействия таких полей имеет место остаточный магнитный эффект, поэтому сердечники не рекомендуется подвергать намагничиванию полями, превышающими рабочие поля.

Механические свойства ферритов подобны свойствам керамических изделий: их режут алмазным инструментом; они хорошо шлифуются и полируются; склеивают их клеем БФ-4. Под воздействием механических нагрузок в сердечниках возникают механические напряжения, что может разрушить сердечник или недопустимо изменить его электромагнитные параметры как во время действия нагрузки так и после нее. Влияние механических нагрузок на электромагнитные параметры сердечников зависит от направления вектора вызываемых ими механических напряжений относительно направления вектора напряженности рабочего поля.

Нельзя допускать непосредственные удары по сердечникам и их падение с высоты на жесткое основание, так как при этом может произойти значительное необратимое изменение значения начальной магнитной проницаемости.

При кратковременном воздействии повышенной и пониженной температур и при температурных циклах могут быть остаточные изменения магнитной проницаемости.

При увлажнении ферритов более чем на 5% могут незначительно возрасти магнитные потери на средних и высоких частотах из-за изменения электропроводности ферритов и диэлектрических потерь. При использовании ферритов с обмоткой на частотах 3МГц и более изменение диэлектрических характеристик при увлажнении вызывает изменение электромагнитных параметров из-за изменения собственной емкости и ее потерь. Вследствие этого при использовании ферритов на частотах свыше 3 МГц в условиях повышенной влажности рекомендуется применять герметизацию.

Ферриты обладают временной нестабильностью магнитной проницаемости, которая проявляется в спаде значения магнитной проницаемости при длительном воздействии положительных температур или длительном хранении.

Чтобы найти магнитную проницаемость намагниченного феррита, необходимо установить связь между напряженностью магнитного поля и магнитной индукцией. Это можно сделать с помощью уравнения.

Пусть феррит наряду с постоянным магнитным полем воздействует переменное поле с произвольно ориентированным вектором напряженности. Результирующее поле выражается векторной суммой

а уравнение для вектора магнитной поляризации согласно (2.9) примет вид

Допустим, что феррит намагничен постоянным магнитным полем до насыщения, т.е. магнитные моменты всех атомов параллельны между собой и направлены вдоль поля. Следовательно, в отсутствие переменного поля вектор магнитной поляризации будет направлен так же, как и вектор:

Если теперь к намагниченному ферриту приложить слабое переменное поле с амплитудой то оно вызовет отклонения магнитных моментов атомов от положения равновесия в такт с приложенным полем. Это приведет к появлению переменной составляющей вектора магнитной поляризации Поэтому решение уравнения (2.11) целесообразно искать в виде

Очевидно, что в силу неравенства (2.12) имеем

Решая это уравнение относительно переменной составляющей вектора магнитной поляризации, установим сначала связь между и на частоте ?, а затем найдем зависимость магнитной индукции от напряженности поля.

Выполняя в (2.15) дифференцирование и пренебрегая в силу (2.13), (2.14) слагаемым получаем после сокращения на временной множитель

Подставим в (2.16) векторы и через их проекции на оси x, y, z и после вычисления векторных произведений, приравняем одноименные составляющие:

Система уравнений (2.17) дает возможность определить проекции вектор

С учетом обозначений получим:

Комплексная амплитуда переменной составляющей магнитной индукции определяется равенством:

Из этого равенства вытекает, что:

Принимая во внимание и группируя коэффициенты при одноименных проекциях вектора окончательно получаем:

феррит магнитный сопротивление проницаемость

Отсюда видно, что магнитная проницаемость намагниченного феррита является тензорной величиной. Сопротивление (2.20) дает для компонент тензора соотношения:

- тензор магнитной проницаемости.

Компоненты тензора (2.24) являются функциями постоянного магнитного поля Можно показать, что при изменении направления этого поля на обратное (т.е. при изменяет знак компонента а.

Так как диэлектрическая проницаемость намагниченного феррита - скалярная величина, то для намагниченной ферритной среды, свободной от источников поля, система уравнений Максвелла в установившемся режиме имеет вид:

В декартовой системе координат эти уравнения с учетом (2.23) запишутся следующим образом:

Заключение

Анализ современного состояния электроники СВЧ показывает большую эффективность применения ферритовых устройств СВЧ при проектировании радиотехнических устройств различного назначения. Предложенные методики расчета и методы исследования ферритовых устройств СВЧ могут быть использованы при проектировании перспективных разработок. Использование ферритов позволяет разрабатывать технику диапазона крайне высоких частот на современном уровне.

Размещено на Allbest.ru