Магнитомягкие материалы. Ферриты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Магнитомягкие материалы. Ферриты



Содержание

Введение

1. Магнитные материалы

1.1 Классификация веществ по магнитным свойствам

1.2 Классификация магнитных материалов

1.3 Особенности ферримагнетиков

2. Магнитомягкие материалы

2.1 Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей

2.2 Магнитомягкие высокочастотные материалы

2.3 Ферриты

2.4 Магнитные материалы специализированного назначения

3. Область применения ферритов

3.1 Ферритовые сердечники

3.2 Запоминающие и переключающиеся цепи

3.3 Принципы действия запоминающих и переключающихся цепей с сердечниками с ППГ

3.4 Требования к сердечникам с ППГ. Критерии прямоугольности

4. Получение ферритов

4.1 Основные технологические схемы изготовления ферритов

4.2 Исходное сырье и материалы, применяемые для изготовления ферритов

5. Разновидности испытания над ферритами

5.1 Механические испытания ферритов

5.2 Способы измерения и контроля магнитных свойств ферритовых материалов и изделий из них

5.2.1 Методы измерения статических свойств ферритовых изделий

5.2.2 Способы автоматизации ферритовых изделий и методы измерения их импульсных свойств

Выводы

Введение

С изобретения телефона, а точнее с практического применения переменного электрического тока начинается история современных магнитомягких материалов. Изучались способы ограничения возрастающего затухания телефонных токов при увеличении дальности телефонной связи.

Использовать катушки с сердечниками из мелких стальных опилок и воска предложил Хевисайд в 1893 году. Они должны были ограничить возрастающее затухание на линии.

Основные требования к магнитомягким материалам для техники связи были определены в течение 1893-1900 гг. - малые потери, высокая магнитная проницаемость, малое искажение передаваемых токов и напряжений. Требования к магнитомягким материалам еще более возросли в связи с изобретением асинхронной машины и развитием однофазной и многофазной систем переменного тока. Требования стали заключаться в больших значениях индукции насыщения, малых потерях на гистерезис и вихревых токов, а также меньших старений, чем у использовавшейся в то время низкоуглеродистой стали. ферритовый низкочастотный сердечник гистерезис

Хорошее воздействие присадки кремния на магнитные свойства чистого железа было обнаружено в конце прошлого века. При этом примерно в 3 раза сократились удельные потери листовой стали. В следствие этого, низкоуглеродистая сталь в производстве магнитных материалов для электротехники стала заменяться на кремнистую.

Новым трамплином к поискам легирующих элементов, которые, наоборот, увеличивали бы индукцию насыщения послужило снижение индукции насыщения при введении кремния. В 1921 г Elmen, открыл и описал магнитные материалы, которые образуют большую группу пермаллойных сплавов на железоникелевой основе. Ему хотелось обнаружить сплав с высокой магнитной индукцией, но обойдясь без дефицитного кобальта, влияние которого на увеличение индукции насыщения он сам же и открыл.

Первое применение пермаллоя в технике связи при конструировании телеграфного реле также относится к этому периоду. Следующий пермаллойный сплав - му-металл, был создан в 1927 г. в Германии. Он долго являлся материалом с самой большой проницаемостью. С этого периода начинается довольно успешная и интенсивная работа над повышением качества металлических магнитных материалов. Долгое время для высокочастотных цепей в сердечниках применялся феррокарт (сочетание из прессованных слоев бумаги и слоев мелкого железного порошка с лаком в качестве связки). Позднее был изготовлен железный порошок с величиной частиц от 1 до 10 мкм из пентакарбонила железа в 1928 г в Германии. Он применялся для изготовления карбонильных сердечников, часто применяемых в виде колец и стержней. В 1930 г, в Англии были изготовлены сердечники из порошка пермаллоя. По свойствам он превосходил карбонильные сердечники. Но из-за дефицитности сырья такие сердечники могла производить не каждая страна. Из-за этого в других странах усиленно разрабатывались из доступного сырья материалы для сердечников.

В Японии в 1935 году Х.Масумото нашел такой материал, который стал известен под названием альсифер. Это сплав на основе железа, легированный кремнием и алюминием. Чтобы выполнить новые высокие требования электротехники нужны новые виды магнитных материалов. Практически исчерпали свои возможности экспериментальные исследования металлических материалов, начатые 50-60 лет назад. Были использованы самые лучшие из простых, двойных и более сложных сплавов. В связи с развитием технологических процессов, вошли в применение плавка и обжиг. При термомагнитной обработке материалы получили новые свойства, действие которой известно со времени, когда отыскивали средства увеличения индукции насыщения кремнистой стали.

Большое внимание на данный момент уделяется ферритам. Лаборатория фирмы Philips в 1936 году начала научные исследования. Полученные в прошлые 70 лет практический опыт и теоретические знания в области ферромагнетизма, дали возможность вести работу по исследованию ферритов и технологии их производства совершенно по-другому.

Свое происхождение ферриты ведут от магнитного железняка - естественного постоянного магнита, который был известен на протяжении всей культурной истории человечества. Магнитный железняк благодаря своей малой электропроводности, а следовательно, малым потерям в переменных магнитных полях и казался пригодным для применения, несмотря на это, в начале развития техники связи отыскивали новые виды магнитных материалов искусственного состава. Однако совсем не пригодны для технического применения его магнитные свойства в природном виде.

Идея применения магнитного железняка была отодвинута почти на 30 лет,, чтобы понять, почему это было сделано рассмотрим прежние взгляды и их использование при разработке новых видов магнитных материалов. Практически все природные явления, которые не могли объяснить в т.ч. и ферромагнетизм, объясняли раньше проявлением "флюидов". В начале XVII в. такое объяснение магнитных явлений давал В.Гильберт.

А.Ампер в 1822 г под влиянием открытия магнитного действия электрического тока, сделанного в 1820 г Эрстедом, для объяснения причины магнетизма предложил теорию молекулярных токов. Но он не мог объяснить, почему не происходит нагревания магнитного материала молекулярными токами и где возникает напряжение, вызывающее эти токи. В результате теория потеряла значение. Ewing подтверждает представления Вебера о молекулярных магнитах в конце XIX в., о том, что каждая отдельная молекула и каждый атом имеют собственные магнитные поля. Он построил модель из большого числа магнитных стрелок, размещенных в пространстве и легко вращающихся вокруг своей оси, на ней можно было снять данные кривой намагничивания. Это послужило подтверждением связи молекулярных магнитов с магнетизмом. Взаимное влияние магнитных стрелок наблюдалось при намагничивании модели. Также он высказывал возможность взаимодействия молекулярных магнитов.

Теорию Вебера продолжили развивать F.Bitter и P.Weiss. По их мнению группы большого числа атомов образуют домены (области), согласно ориентированным атомам, размером нескольких микронов. Это прямая аналогия магнитных стрелок Ewing'а. Домены полностью самопроизвольно намагничены до полного насыщения. Оно стационарно.. Самопроизвольная намагниченность и напряженность магнитного поля для каждого вида магнитного материала разные. При такой намагниченности домены взаимодействуют между собой так, что изменяется направление вектора спонтанной намагниченности, т. е., чем больше спонтанная намагниченность, тем больше индукция насыщения материала. Для перевода векторов намагничивания доменов из хаотического неупорядоченного состояния в положение, когда они совпадают с направлением этого поля необходима тем меньшая напряженность поля, чем легче осуществляется действие внешнего поля на домены, в итоге, тем больше будет магнитная проницаемость материала, величина, служащая выражением пропорциональности между индукцией и напряженностью поля.

Основываясь на этом, можно хорошо понять современные взгляды на процесс намагничивания магнитных материалов, изображенный на рис. 1. Домены ориентированы полностью хаотически в ненамагниченном материале. Вне материала не ощущается магнитного эффекта, по причине того, что отдельные домены образуют друг с другом замкнутые магнитные цепи. За счет доменов с менее выгодной ориентацией, при воздействии небольшого внешнего поля, домены с более выгодной ориентацией относительно направления внешнего магнитного поля увеличивают свои размеры. Направление, при котором ориентированные домены имеют минимальную энергию называется выгодным, легким направлением намагничивания. Т. е., это направление, при котором домены под влиянием внутреннего размещения атомов в кристаллах, внешних и внутренних механических сил и направляющего действия внешнего магнитного поля имеют минимальное взаимодействие. На этой стадии намагничивания домены меняют свои размеры, это происходит смещением их взаимных границ. Название граничной зоны - стенка Блоха, по имени открывшего это явление F.Bloch. При исчезновении внешнего магнитного поля наступает обратное распадение доменов, т. е. эти изменения обратимы.

Рис.1 Стадии цикла намагничивания (Формы петель гистерезиса при различных напряженностях максимального поля). Справа показаны границы доменов и направление векторов их спонтанного намагничивания в том же месте образца в различных стадиях намагничивания.

1-направление внешнего поля; 2-область вращения стенок; 3-область необратимых смещений стенок; 4-область обратимых смещений стенок; 5-размагниченный образец.

Рост доменов путем смещения стенок при дальнейшем увеличении внешнего магнитного поля до определенного значения происходит скачком. У поликристаллических материалов в этой фазе при изменении магнитного поля образуются вторичные домены, границы которых, так же, как и в исходном состоянии, образуются загрязнениями, включениями и т.п., но объем которых и их размещение совершенно иные, чем в исходном состоянии. Изменения размеров доменов в этой стадии намагничивания необратимы. Смещениям стрелок скачком соответствуют самые крутые части кривой намагничивания. В результате этих изменений кривая намагничивания не получается плавной. Если ее можно было бы подробно снять, то под микроскопом она казалась бы ступенчатой. Под влиянием возрастающего внешнего поля векторы намагничивания доменов поворачиваются в направлении внешнего поля. Эти изменения также обратимы. При уменьшении магнитного поля прежде всего векторы намагничивания доменов поворачиваются в первоначальном направлении. Потом происходят обратимые смещения стенок и, наконец, необратимые смещения стенок, которые наступают уже при изменении направления поля.

Экспериментальная проверка этих идей основывалась на двух предположениях. ступенчастость кривых намагничивания в самой крутой части, возникающая при смещении стенок скачком, при достаточном усилении дожна сопровождаться шумом. Это доказал в 1919 г H.Barkhausen. Другой вывод, который можно экспериментально проверить, подтвердили через 11 лет в 1930 г Н.С. Акулов и F.Bitter. Они исходили из предположения, что на границе доменов, где одно направление намагничивания переходит в другое, возникает магнитное поле рассеяния, в которое должны втягиваться мелкие частицы ферромагнитного материала. Опыт удался на тщательно отшлифованных и специально полированных образцах. При помощи суспензии окиси железа стали видимыми домены и границы между ними. Идея Weiss'a была подтверждена. Однако не были выяснены причины, которые вызывают ориентацию атомов в эти домены.

Электронная теория, возникшая в начале XX ст, была использована Н.Бором для построения модели атома. Вращающиеся электроны в модели атома 1912 г соединяют теорию молекулярных токов Ампера с электронной теорией. Различие между фактическим магнитным моментом магнитных атомов и магнитным моментом, который могли бы вызвать вращающиеся электроны, было объяснено введением спинового магнитного момента самого электрона. Предположение о внутриатомных обменных силах, введенное W.Heisenbеrg'ом, объясняет возникновение доменов. Только те атомы, которые, кроме известных гравитационных, магнитных и электрических сил, связаны этой предполагаемой силой, могут быть магнитными. Интересно, что эти обменные силы могут возникать и у сплавов из немагнитных элементов. Возвратимся опять к магнитному железняку. В то время, когда делались попытки найти хороший магнитный материал для сердечников цепей переменных токов, не были ясны представления о магнетизме элементов и сплавов, а тем более соединений каким является магнитный железняк. Магнетизм связывался с хорошей электропроводностью металлов. Кроме того, работа с металлическими элементами была более удобной. Магнитный железняк был забыт более чем на 20 лет. В то время изучалась атомная структура магнитных элементов и сплавов. При этих работах было объяснено влияние различных легирующих элементов и влияние загрязнений. Изучался магнетизм монокристаллов.



1. Магнитные материалы

1.1 Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий, соединения А3В5, А2В6) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.

К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля.К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 10 6), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Tm и др.). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п.

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом,- различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.

1.2 Классификация магнитных материалов

Применяемые в электронной технике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие .В отдельную группу выделяют материалы специального назначения .

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой Н с . Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат для изготовления постоянных магнитов.

К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов , магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п.

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Н с < 800 А/м, а магнитотвердыми - с Н с > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м. По масштабам применения в электронной технике среди материалов специального назначения следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.

Внутри каждой группы деление магнитных материалов по родам и видам отражает различия в их строении и химическом составе, учитывает технологические особенности и некоторые специфические свойства.

Свойства магнитных материалов определяются формой кривой намагничивания и петли гистерезиса. Магнитомягкие материалы применяются для получения больших значений магнитного потока. Величина магнитного потока ограничена магнитным насыщением материала, а потому основным требованием к магнитным материалам сильноточной электротехники и электроники является высокая индукция насыщения. Свойства магнитных материалов зависят от их химического состава, от чистоты используемого исходного сырья и технологии производства. В зависимости от исходного сырья и технологии производства магнитомягкие материалы делятся на три группы: монолитные металлические материалы, порошковые металлические материалы (магнитодиэлектрические) и оксидные магнитные материалы, кратко называемые ферритами.

1. Монолитные металлические материалы.

Основными компонентами монолитных металлических магнитомягких материалов является железо с низким содержанием углерода, никель или кобальт. Для цепей техники связи важнейшими из этой группы материалов являются:

а) сплавы и стали с гарантированной малой коэрцитивной силой;

б) листовая сталь с гарантированными потерями при высоких значениях магнитной

индукции;

в) сплавы с гарантированной индукцией насыщения;

г) сплавы и стали с гарантированной высокой проницаемостью;

д) материалы со специальнымы свойствами.

Материалы первой подгруппы предназначены, например, для реле. К ним относятся сталь с минимальным содержанием углерода, низколегированная кремнистая сталь и сплавы железа с никелем.

Вторую подгруппу материалов образует кремнистая сталь, применяемая для сердечников сетевых трансформаторов.

Материалы третьей подгруппы включают в себя сплавы железа с кобальтом.

Материалами с гарантированной проницаемостью являются низкоуглеродистые стали с присадкой 3-4,5% кремния и сплавы на основе никеля.

К подгруппе специальных материалов относятся материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, магнитострикционные материалы и т.п.

2. Порошковые металлические материалы.

Применение порошковых материалов, т.е. так называемых магнитодиэлектриков, основывается на технических и экономических соображениях. Магнитодиэлектрические сердечники имеют некоторые свойства, которых нельзя достичь у материалов первой группы. Они пригодны для высокочастотной техники. Прокатка листовых материалов толщиной менее 0,05 мм обходится очень дорого, а при толщине 0,03 мм цена таких материалов превышает цену золота.

Для уменьшения потерь на вихревые токи и увеличения стабильности магнитных свойств применяются порошковые магнитные материалы. Увеличение удельного электрического сопротивления достигается здесь изоляцией магнитных зерен друг от друга. Окончательная форма придается изделию прессованием. К этой группе относятся:

а) магнитодиэлектрические сердечники;

б) материалы со специальными свойствами.

В зависимости от исходного сырья магнитодиэлектрические сердечники делятся на сердечники из железных порошковых материалов и сердечники из легированного железа. Основу железных порошковых материалов составляет железо, получаемое обычно карбонильным способом. Легированные материалы представляют собой сплавы железа, и алюминия (альсифер) и сплавы железа и никеля или железа, никеля и молибдена (пермаллой и молибденовый пермаллой).

К специальным порошковым металлическим материалам относятся, например, магнитный порошок для магнитофоной ленты и других магнитных носителей информации.

3.Оксидные материалы - ферриты.

Ферриты представляют собой химические соединения, в общем случае имеющие формулу МFe 2 O 4 , где М - чаще всего двухвалентный ион металла, например, Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Co и Mn. В отличие от порошковых сердечников ферриты представляют собой монолитные материалы. Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в кубической системе и имеют структуру шпинели - минерала состава MgAl 2 O 4 . Чаще всего применяются ферриты следующих типов:

MnO*ZnO x 2Fe 2 O 3 - марганцево-цинковый феррит;

Nio*ZnO x 2Fe 2 O 3 - никель-цинковый феррит;

MgO*MnO*2Fe 2 O 3 - магний-марганцевый феррит.

Ферриты имеют высокое удельное электрическое сопротивление порядка 10-10 9 Ом*см и благодаря этому низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20-25% от индукции насыщения железа.

Ферриты делятся на три подгруппы:

а) ферриты с гарантированными потерями и проницаемостью;

б) ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса;

в) ферриты со специальными свойствами.

Марганец-цинковые ферриты по сравнению с никель-цинковыми имеют меньшие потери. Оба эти вида ферритов относятся к первой подгруппе. Т.к. никель-цинковые ферриты имеют более высокое электрическое сопротивление, то их целесообразно применять в области частот от 500 кГц до 200 МГц и выше, т.е. для цепей высокочастотной техники. Магний-цинковые ферриты предназначены для применения в диапазоне от звуковых частот до нескольких МГц.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса бывают никель-цинковыми или магний-марганцевыми. В технике УКВ также применяются магний-марганцевые ферриты, однако соотношение отдельных составных частей в тройной системе отличается от состава магний-марганцевых ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса. Эти ферриты вместе с магнитострикционными материалами относятся к группе материалов со специальными свойствами.

Благодаря своим свойствам, ферриты имеют очень широкий диапазон применения. В настоящее время ферриты применяются в производстве реле,сетевых трансформаторов устройств связи, дросселей, электромеханических преобразователей и резонаторов и т.п. Однако наибольшее распространение ферриты получили в производстве сердечников для катушек (феррокатушек), запоминающих и переключающих цепей и т.п.

1.3 Особенности ферримагнетиков

Строение ферримагнетиков. Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения окисла железа Fe 2 O 3 с окислами других металлов. В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свойствам.

Наиболее широкое применение нашли ферриты со структурой природного минерала шпинели. Химический состав ферритов-шпинелей отвечает формуле МеFe 2 O 4 , где под Ме понимают какой-либо двухвалентный катион. На примере этих соединений рассмотрим наиболее характерные особенности магнитных свойств ферримагнетиков.

Исследования показывают, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой материалов и, в частности, расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. Элементарная ячейка шпинели представляет собой куб, в состав которого входит восемь структурных единиц типа МеFe 2 O 4 , т.е. 32 иона кислорода, 16 ионов трехвалентного железа и 8 ионов двухвалентного металла. Кислородные ионы расположены по принципу плотной кубической упаковки шаров. При этом возникают междуузлия двух типов: тетраэдрические, образованные окружением четырех ионов, и октаэдрические, образованные окружением шести ионов кислорода. В этих кислородных междуузлиях находятся катионы металлов. Всего в элементарной ячейке шпинели может быть заполнено 8 тетраэдрических промежутков (назовем их позициями типа А) и 16 октаэдрических мест ( позиции типа В).

Структуру, в которой все катионы двухвалентного железа занимают позиции типа А, а катионы трехвалентного железа распределяются в междуузлиях типа В, называют нормальной шпинелью. Учитывая такой характер распределения катионов по кислородным междуузлиям, формулу феррита со структурой нормальной шпинели можно представить в следующем виде:

(Мe 2+ )[Fe 3+ Fe 3+ ]O 4

где в круглых скобках указаны ионы, занимающие позиции типа А, а в квадратных - ионы в позициях типа В. Стрелками условно показано направление магнитных моментов катионов. В структуре нормальной шпинели кристаллизуются ферриты цинка (ZnFe 2 O 4 ) и кадмия (CdFe 2 O 4). Как будет показано далее, ферриты со структурой нормальной шпинели немагнитны.

Чаще встречаются ферриты с иным характером распределения катионов по кислородным междуузлиям. Структура, в которой катионы Ме 2+ находятся в позициях типа В, а катионы трехвалентного железа поровну распределяются между позициями А и В, получила название обращенной шпинели. Формулу обращенной шпинели с учетом распределения катионов можно записать в виде:

(Fe 3+ )[Me 2+ Fe 3+ ]O 4

Структуру обращенной шпинели имеют ферриты никеля, кобальта, меди и некоторых других элементов.

Большинство реальных ферритов характеризуется некоторым промежуточным распределением катионов, когда и ионы Ме 2+ , и ионы трехвалентного железа Fe 3+ занимают позиции того и другого типов. Такие структуры называют амфотерной шпинелью. Промежуточному распределению катионов соответствует структурная формула

(Me 2+ 1-x Fe 3+ x )[Me 2+ x Fe 3+ 1-x ]O 4

где параметр х характеризует степень обращенности шпинели. Структуре нормальной и обращенной шпинели отвечают значения х, равные, соответственно, нулю и единице.

Природа магнитного упорядочения. В ферритах магнитоактивные катионы находятся достаточно далеко друг от друга, поскольку разделены анионами кислорода, не обладающими магнитным моментом. Поэтому прямое обменное взаимодействие между катионами оказывается очень слабым или отсутствует вообще. Их электронные оболочки практически не перекрываются.



2. Магнитомягкие материалы

2.1 Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей

Основные требования к материалам. Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Выполнение этого требования позволяет уменьшить габаритные размеры и массу магнитной системы.

Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением. Обычно магнитопроводы собирают из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой изоляцией из диэлектрического лака. К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности, благодаря которой облегчается процесс изготовления изделий из них.

Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств как во времени, так и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость (особенно в слабыз полях) и коэрцитивная сила.

Железо и низкоуглеродистые стали. Основным компонентом большинства магнитных материалов является железо. Само по себе железо в элементарном виде представляет собой типичный магнитомягкий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения ( около 2,2 Тл).

Особо чистое железо (электролитическое, карбонильное), содержащее малое количество примесей (менее 0,05%), получают двумя сложными способами.

Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, а катодом - пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4-6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах; подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме.

Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа согласно уравнению

Fe(CO) 5 = Fe + 5CO

Пентакарбонил железа представляет собой продукт воздействия окиси углерода на железо при температуре около 200 ° С и давлении примерно 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его удобным для изготовления прессованных магнитных сердечников. В карбонильном железе отсутствуют кремний, фосфор и сера, но содержится углерод.

Магнитные свойства различных видов чистого железа приведены в (табл. 1). Примеси относительно слабо влияют на магнитные свойства железа, если их концентрация ниже предела растворимости. Низким пределом растворимости в железе обладают углерод, кислород, азот и сера. Соответственно, эти примеси оказываются и наиболее вредными. При охлаждении металла после термообработки такие примеси из-за ограниченной растворимости выделяются в виде микровключений побочных фаз, которые затрудняют смещение доменных границ в слабом магнитном поле.

Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но и от структуры материала, размера зерен, наличия механических напряжений. Из табл.1 видно, что магнитные свойства даже лучших промышленных разновидностей железа далеки от того, чего можно добиться, используя современные технологические методы получения чистых и однородных по структуре материалов.

Табл. 1 Некоторые свойства магнитомягких ферромагнитных материалов

Материал	Магнитная проницаемость начальная	Коэрцитивная максимальная	Индукция сила, А/м	Удельное со-насыщения Тл	противление, мкОм · м
Технически чистое железо	250 - 400	3500 - 4500	50 - 100	2,18	0,1
Электролитическое железо	600	15000	30	2,18	0,1
Карбонильное железо	2000 - 3000	20000 - 21500	6,4	2,18	0,1
Монокристалл чистейшего железа	>20000	1430000	0,8	-	0,097
Электротехническая сталь	200 - 600	3000 - 8000	10 - 65	1,95 - 2,02	0,25 - 0,6
Низконикелевый пермаллой	1500 - 4000	15000 - 60000	5 - 32	1,0 - 1,6	0,45 - 0,9
Высоконикелевые пермаллои	7000 - 100000	50000 - 300000	0,65 - 5	0,65 - 1,05	0,16 - 0,85

Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используют довольно редко, в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Обычное техническичистое железо изготавливают рафинированием чугуна в мартеновских печах или в конверторах; оно имеет суммарное содержание примесей 0,08-0,1%

Кремнистая электротехническая сталь (по ГОСТу электротехническая тонколистовая) является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали за счет химического связывания кислорода в SiO 2 . Последний в виде шлака выделяется из расплава. В результате легирование кремнием приводит к увеличению магнитной проницаемости, уменьшению коэрцитивной силы и снижению потерь на гистерезис. Положительное влияние кремния на магнитную проницаемость стали обусловлено также уменьшением констант магнитной анизотропии и магнитострикции. У стали с содержанием кремния 6,8% константа магнитной анизотропии в три раза меньше, чем у чистого железа, а значение магнитострикции практически равно нулю. При таком содержании кремния сталь обладает наибольшей магнитной проницаемостью. Однако промышленные марки электротехнической стали содержат не более 5% кремния. Это объясняется тем, что кремний ухудшает механические свойсва стали, придает ей хрупкость и ломкость. Такая сталь непрригодна для штамповки. Кроме того, при введении кремния несколько уменьшается индукция насыщения (примерно 0,05 Тл на 1% Si), так как кремний является немагнитным компонентом. Вместе с тем легирование кремнием повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.

Свойства стали значительно улучшаются за счет образования магнитной текстуры при холодной прокатке и последующего отжига в водороде.

При холодной прокатке происходит сильное обжатие материала; возникающие деформации вызывают преимущественную переориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре 900-1000 ° С не только снимает внутренние механические напряжения, но и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен). Получается так называемая ребровая текстура.

Текстурованная сталь анизотропна по свойствам: вдоль напрвления прокатки наблюдается существенно более высокая магнитная проницаемость и меньшие потери на гистерезис. Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты. Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его. Сталь различных классов предназначается для изготовления магнитных цепей аппаратов, трансформаторов, электричекских машин. Применение ленточных сердечников из текстурованной стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить их массу и габаритные размеры на 20-25%, а в радиотрансформаторах - на 40%.

Листы тонкого проката предназначены в основном для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц). Использование листовых и ленточных сердечников на частотах выше 1 кГц возможно лишь при существенном ограничении магнитной индукции, так , чтобы суммарные потери не превышали допустимого предела. По условиям нагрева и теплоотвода предельно допустимыми принято считать удельные потери 20 Вт/кг.

Низкокоэрцитивные сплавы. Пермаллои - железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой. Пермаллои подразделяют на высоко- и низконикелевые. Высоконикелевые пермаллои содержат 72-80% никеля, а низконикелевые - 40-50% никеля. Магнитные свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также очень резко изменяются в зависимости от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, окружающей среды и т.д.). Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых.

Удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в три раза меньше, чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои. Кроме того, магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты. Это объясняется возникновением в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления.

Диапазон изменения магнитных свойств и удельного сопротивления промышленных марок пермаллоев указан в табл.1. Вследствие различия свойств низконикелевые и высоконикелевые пермаллои имеют несколько различные применения.

Низконикелевые сплавы 45Н и 50Н применяют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.

Сильная зависимость магнитных свойств пермаллоя от механических напряжений вынуждает принимать специальные меры защиты сердечников, поскольку механические нагрузки неизбежно возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно кольцеобразные ленточные сердечники из пермаллоя помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. В целях амортизации динамических нагрузок свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют каким-либо эластичным веществом.

2.2 Магнитомягкие высокочастотные материалы

Под высокочастотными магнитомягкими материалами понимают вещества, которые должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону применения их в свою очередь можно подразделить на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ.

По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитоэлектрики и ферриты. Кроме того, при звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатанные электротехнические стали и пермаллои. Толщина сталей достигает 30-25 мкм, а пермаллой, как мееханически более мягкий сплав, может быть получен толщиной до 2-3 мкм. Основные магнитные свойства таких тонких магнитных материалов близки к свойствам материалов больших толщин, однако они имеют несколько повышенную коэрцитивную силу и высокую стоимость, а технология сборки магнитных цепей из них весьма сложна.

2.3 Ферриты

Как отмечалось выше, ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.

Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 10 3 -10 13 раз, а следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышеных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

Табл. 2 Группы и марки магнитомягких ферритов.

Номер группы	Название группы	Марка ферритов Ni-Zn
			Mn-Zn
I	Общего применения	100НН, 400НН, 400НН1, 600НН, 1000НН, 2000НН	1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ
II	Термостабильные	7ВН, 20ВН, 30ВН, 50ВН, 100ВН, 150ВН	700НМ, 1000НМ3, 1500НМ1, 1500НМ3, 2000НМ1, 2000НМ3
III	Высокопроницаемые		4000НМ, 6000НМ, 6000НМ1, 10000НМ, 20000НМ
IV	Для телевизионной техники		2500НМС1, 3000НМС
V	Для импульсных трансформаторов	300ННИ, 300ННИ1, 350ННИ, 450ННИ, 1000ННИ, 1100ННИ	1100НМИ
VI	Для перестраиваемых контуров	10ВНП, 35ВНП, 55ВНП, 60ВНП, 65ВНП, 90ВНП, 150ВНП, 200ВНП, 300ВНП
VII	Для широкополосных трансформаторов	50ВНС, 90ВНС, 200ВНС, 300ВНС
VIII	Для магнитных головок	500НТ, 500НТ1, 1000НТ, 1000НТ1, 2000НТ	500МТ, 1000МТ, 2000МТ, 5000МТ
IX	Для датчиков температуры	1200НН, 1200НН1, 1200НН2, 1200НН3, 800НН
X	Для магнитного экранирования	200ВНРП, 800ВНРП

Высокопроницаемые ферриты. В качестве магнитомягких материалов 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 (NiFe 2 O 4 или MnFe2O4) является ферримагнетиком, а другой (ZnFe 2 O 4 ) - немагнитен. Основные закономерности изменения магнитных свойств от состава в подобных системах представлены на рис.2 и 3.

Чтобы объяснить наблюдаемые закономерности, необходимо принять во внимание, что катионы цинка в структуре шпинели всегда занимают тетраэдрические кислородные междуузлия, а катионы трехвалентного железа могут находиться как в тетра-, так и в октаэдрических промежутках. Состав твердого раствора с учетом распределения катионов по кислородным междуузлиям можно охарактеризовать следующей формулой:

(Zn 2+ x Fe 3+ 1-x )[Ni 2+ 1-x Fe 3+ 1+x ]O 4

где стрелки условно указывают направление магнитных моментов ионов в соответствующих подрешетках. Отсюда видно, что вхождение цинка в кристаллическую решетку сопровождается вытеснением железа в 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 очень интересный эффект: увеличение концентрации немагнитного компонента приводит к увеличению намагниченности насыщения (а следовательно, и В s ) твердого раствора (рис.2).

Рис. 2 Зависимость индукции насыщения (при Е=20 ° С) и температуры Кюри твердых растворов Ni 1-x Zn x Fe 2 O 4 от состава (температура обжига 1320 ° С)	Рис.3 Зависимость начальной магнитной проницаемости в системе NiO-ZnO-Fe 2 O 3 от состава (температура обжига 1380 ° С)

Однако разбавление твердого раствора немагнитным ферритом вызывает ослабление основного обменного взаимодействия типа А-О-В, что выражается в монотонном снижении температуры Кюри (Т к ) при увеличении мольной доли ZnFe 2 O 4 в составе феррошпинели. Быстрый спад индукции насыщения в области х > 0,5 объясняется тем, что магнитные моменты небольшого количества ионов в тетраэдрической подрешетке уже не в состоянии ориентировать антипараллельно себе магнитные моменты всех катионов, находящихся в В-подрешетке. Иными словами, обменное взаимодействие типа А-О-В становится настолько слабым, что не может подавить конкурирующее взаимодействие типа В-О-В, которое также является отрицательным и стремится вызвать антипараллельную ориентацию магнитных моментов катионов в В-подрешетке.

Ослабление обменного взаимодействия между катионами при увеличении содержания немагнитного компонента приводит к уменьшению констант кристаллографической анизотропии и магнитострикции. Благодаря этому облегчается перемагничивание ферримагнетика в слабых полях, т.е. возрастает начальная магнитная проницаемость. Наглядное представление о зависимости начальной магнитной проницаемости от состава твердой фазы дает рис.3. Максимальному значению проницаемости отвечает точка в треугольнике составов с ориентировочными координатами 50% Fe 2 O 3 , 15% NiO и 35% ZnO. Этой точке соответствует твердый раствор Ni 1-x Zn x Fe 2 O 4 с х » 0,7. Из сопоставления рис.2 и 3 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 поля, являются микроскопические поры, включения побочных фаз, участки с дефектной кристаллической решеткой и др. Устранение этих структурных барьеров, также затрудняющих процесс намагничивания, позволяет существенно повысить магнитную проницаемость материала. Большое влияние на значение начальной магнитной проницаемости ферритов оказывает размер кристаллических зерен. Марганец-цинковые ферриты с крупнозернистой структурой могут обладать начальной магнитной проницаемостью до 20000. Это значение близко к начальной магнитной проницаемости лучших марок пермаллоя.

Магнитные свойства. Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной магнитной проницаемости одной из важнейших характеристик является тангенс угла потерь tg d . Благодаря низкой проводимости составляющая потерь на вихревые токи в ферритах практически мала и ею можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на гистерезис. Поэтому значение tg d в ферритах на высоких частотах в основном определяется магнитными потерями, обусловленными релаксациооными и резонансными явлениями. Для оценки допустимого частотного диапазона, в котором может использоваться данный материал, вводят понятие критической частоты f кр . Обычно под fкр понимают такую частоту, при которой tg d достигает значения 0,1.

Инерционность смещения доменных границ, проявляющихся на высоких частотах, приводит не только к росту магнитных потерь, но и к снижению магнитной проницаемости ферритов. Частоту f гр , при которой начальная магнитная проницаемость уменьшается до 0,7 от ее значения в постоянном магнитном поле, называют граничной . Как правило, f кр < f гр . Для сравнительной оценки качества магнитомягких ферритов при заданных значениях H и f удобной характеристикой является относительный тангенс угла потерь, под которым понимают отношение tg d / m н .

Сравнение магнитных свойств ферритов с одинаковой начальной магнитной проницаемостью показывает, что в области частот до 1 МГц марганец-цинковые ферриты имеют существенно меньший относительный тангенс угла потерь, чем никель-цинковые ферриты. Это объясняется очень малыми потерями на гистерезис у марганец-цинковых ферритов 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 и лучшими частотными свойствами.

В ферритах, как и в ферромагнетиках, реверсивная магнитная проницаемость может существенно изменяться под влиянием напряженности постоянного подмагничивающего поля, причем у высокопроницаемых ферритов эта зависимость выражена более резко, чем у высокочастотных ферритов с небольшой начальной магнитной проницаемостью.

Магнитные свойства ферритов зависят от механических напряжений, которые могут возникать при нанесении обмотки, креплении изделий и по другим причинам. Чтобы не было ухудшения магнитных характеристик, ферриты следует оберегать от механических нагрузок.

Электрические свойства . По электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводников или даже диэлектриков. Их электропроводность обусловлена процессами электронного обмена между ионами переменной валентности("прыжковый" механизм). Электроны, учавствующие в обмене, можно рассматривать как носители заряда, концентрация которых практически не зависит от температуры. Вместе с тем, при повышении температуры экспоненциально увеличивается вероятность перескока электронов между ионами переменной валентности, т.е. возрастает подвижность носителей заряда. Поэтому температурное изменение удельной проводимости и удельного сопротивления ферритов с достаточной для практических целей точностью можно описать следующими формулами:

g = g 0 exp [-Э 0 /(kT)] ; r = r 0 exp [Э 0 /(kT)]

где g 0 и r 0 - постоянные величины для данного материала; Э 0 - энергия активации электропроводности.

Среди многих факторов, влияющих на электрическое сопротивление ферритов, основным является концентрация в них ионов двухвалентного железа Fe 2+ . Под влиянием теплового движения слабосвязанные электроны перескакивают от ионов железа Fe 2+ к ионам Fe 3+ и понижают валентность последних. С увеличением концентрации двухвалентных ионов железа линейно возрастает проводимость материала и одновременно уменьшается энергия активации Э 0 . Отсюда следует, что при сближении ионов переменной валентности понижается высота энергетических барьеров , которые должны преодолевать электроны при переходе от одного иона к соседнему. У ферритов-шпинелей энергия активации электропроводности обычно лежит в пределах от 0,1 до 0,5 эВ. Наибольшей концентрацией ионов двухвалентного железа и, соответственно, наименьшим удельным сопротивлением обладает магнетит Fe 3 O 4 (феррит железа), у которого r =5 · 10 -5 Ом · м. В то же время в феррогранатах концентрация ионов Fe 2+ ничтожно мала, потому их удельное сопротивление может достигать высоких значений (до 10 9 Ом · м).

Экспериментально установлено, что присутствие в ферритах-шпинелях определенного количества ионов двухвалентного железа приводит к ослаблению анизотропии и магнитострикции; это благоприятно отражается на значении начальной магнитной проницаемости. Отсюда вытекает следующая закономерность: ферриты с высокой магнитной проницаемостью, как правило, обладают невысоким удельным сопротивлением.

Для ферритов характерна относительно большая диэлектрическая проницаемость, которая зависит от частоты и состава материала. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость ферритов падает. Так, никель-цинковый феррит с начальной проницаемостью 200 на частоте 1 кГц имеет e = 400, а на частоте 10 МГц e = 15. Наиболее высокое значение e присуще марганец-цинковым ферритам, у которых она достигает сотен или тысяч.

Большое влияние на поляризационные свойства ферритов оказывают ионы переменной валентности. С увеличением их концентрации наблюдается возрастание диэлектрической проницаемости материала.

2.4 Магнитные материалы специализированного назначения

Ферриты и металлические сплавы с ППГ. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) находят широкое применение в устройствах автоматики, вычислительной техники, в аппаратуре телеграфной связи. 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 осуществляются 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 предъявляют ряд специфических требований, а для их характеристики привлекают некоторые дополнительные параметры. Основным из таких параметров является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса К пу , представляющий собой отношение остаточной индукции В r к максимальной индукции В max :

К пу = В r /В max

Для определенности В max измеряют при H max = 5H c . Желательно, чтобы К пу был возможно ближе к единице. Для обеспечения быстрого перемагничивания сердечников они должны иметь небольшой коэффициент переключения S q , численно равный количеству электричества на единицу толщины сердечника, которое необходимо для перемагничивания его из одного состояния остаточной индукции в противоположное состояние максимальной индукции.