Магнитомягкие материалы. Ферриты (стр. 7 из 13)
Практическое применение 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 поляризации 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. Собственная частота прецессии зависит от магнитного состояния образца, а потому ее можно изменять с помощью постоянного подмагничивающего (управляющего) поля Н_. 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 напряженности переменного возбуждающего поля и постоянного подмагничивающего полей взаимно перпендикулярны.
Если частоту внешнего поля поддерживать постоянной, а изменять напряженность подмагничивающего поля Н_, то вентильные свойства феррита будут проявляться в довольно узком интервале напряженностей постоянного поля DН_, называемом шириной линии ферромагнитного резонанса. Чем меньше значение DН_, тем сильнее 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 управления относительно слабым внешним полем);
2) высокое 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 предъявляют и другие требования, которые могут быть даже 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 поликристаллические материалы, так и монокристаллы ферритов. Последние характеризуются более узкой шириной линии ферромагнитного резонанса.
Магнитострикционные ферриты. Магнитострикционными называют магнитные материалы, применение которых основано на явлении магнитострикции и магнитоупругом эффекте, т.е. изменении размеров тела в магнитном поле и изменении магнитных свойств материала под влиянием механических воздействий.
Среди магнитострикциооных материалов можно отметить как чистые металлы, так сплавы и различные ферриты. Ферриты являются магнитострикционными материалами для высоких частот.
В эксплуатационных условиях в большинстве случаев магнитное состояние сердечника магнитострикционного преобразователя определяется одновременным воздействием переменного и постоянного подмагнич,вающих полей. Если Выполняется соотношение Bm << B_, то между амплитудами переменного магнитного поля и механических колебаний существует линейная зависимость. Таким образом, магнитострикционные колебания небольшой амплитуды в намагниченной (магнитно-поляризованной) среде по своему внешнему проявлению аналогичны пьезоэлектрическим. Поэтому их иногда называют пьезомагнитными.
Широкое применение в магнитострикционных устройствах находит ферритовая керамика. По сравнению с никелем и металлическими сплавами, магнитострикционные свойства которых также выражены довольно сильно, магнитострикционные ферриты имеют ряд преимуществ. Благодаря высокому удельному сопротивлению в них пренебрежимо малы потери на вихревые токи, поэтому отпадает необходимость расслаивать материал на отдельные пластины. В отличие от металлических сплавов ферриты не подвержены действию химически агрессивных сред. С помощью керамической технологии можно изготовить преобразователи практически любых форм и размеров.
По составу магнитострикционная керамика представляет собой либо чистый феррит никеля (NiFe2O4), либо твердые растворы на его основе.
Из магнитострикционных материалов изготавливают сердечники электромеханических преобразователей (излучателей и приемников) для электроакустики и ультразвуковой техники, сердечники электромеханических и магнитострикционных фильтров и резонаторов, линий задержки. Их используют также в качестве чувствительных элементов магнитоупругих преобразователей, применяемых в устройствах автоматики и измерительной техники.
3. Применение ферритов.
Магнитомягкие ферриты с начальной магнитной проницаемостью 400 - 20000 в слабых полях во многих случаях эффективно заменяют листовые ферромагнитные материалы - пермаллой и электротехническую сталь. В средних и сильных магнитных полях замена листовых ферромагнетиков ферритами нецелесообразна, поскольку у ферритов меньше индукция насыщения.
В табл.4 дана характеристика некоторых распространенных марок ферритов, выпускаемых в промышленном масштабе.
Магнитомягкие ферриты широко применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивностей, фильтров в аппаратуре радио- и проводной связи, сердечников импульсных и широкополосных трансформаторов, трансформаторов развертки телевизоров, магнитных модуляторов и усилителей. Из них изготавливают также стержневые магнитные антенны, индуктивные линии задержки и другие детали и узлы электронной аппаратуры.
Наиболее часто применяют ферритовые сердечники с замкнутой магнитной цепью. Такие магнитопроводы бывают либо монолитными, в виде единого тела (например, кольцевой сердечник), либо составными - из двух хорошо пришлифованных друг к другу частей, зазор между которыми по возможности мал. Составные магнитопроводы распространены шире монолитных, так как намотка проволоки на последние вызывает определенные трудности. В качестве примера на рис.4 показана конструкция составного сердечника закрытого (броневого) типа. Он состоит из двух одинаковых чашек и стержня-подстроечника, входящего в центральное отверстие. Перемещением подстроечника можно регулировать индуктивность катушки.
| Марка | mн | (tgd/mн) 106 при f, МГц | mmax | Hc, A/м | Br, Тл | fкр, МГц | fгр, МГц | Тк, °С (не ниже) | r, Ом·м | Примечание |
| 20000НМ | 15000 | 25(0,01) | 35000 | 0,24 | 0,11 | 0,01 | 0,1 | 110 | 0,001 | |
| 6000НМ | 4800-8000 | 40(0,02) | 10000 | 8 | 0,11 | 0,02 | 0,5 | 130 | 0,1 | Общее |
| 1000НМ | 800-1200 | 15(0,1) | 1800 | 28 | 0,11 | 1,0 | 5 | 200 | 0.5 | |
| 1000НН | 800-1200 | 85(0,1) | 3000 | 24 | 0,1 | 0,4 | 3 | 110 | 10 | |
| 600НН | 500-800 | 25(0,1) | 1500 | 40 | 0,12 | 1,2 | 5 | 110 | 100 | |
| 2000НМ1 | 1700-2500 | 15(0,1) | 3500 | 25 | 0,12 | 0,5 | 1,5 | 200 | 5 | Термостабильн. |
| 700НМ1 | 550-850 | 8(3) | 1800 | 25 | 0,05 | 5 | 8 | 200 | 4 | для аппаратуры |
| 100ВЧ | 80-120 | 135(18) | 280 | 300 | 0,15 | 35 | 80 | 400 | 105 | с повыш. требо- |
| 20ВЧ2 | 16-24 | 280(30) | 45 | 1000 | 0,1 | 120 | 300 | 450 | 106 | ваниями |
| 300НН | 280-350 | 170(4) | 600 | 80 | 0,13 | 5 | 20 | 120 | 106 | Для конт. перес. |
| 9ВЧ | 9-13 | 850(150) | 30 | 1500 | 0,06 | 250 | 600 | 500 | 107 | подмагничиван. |
| 200ВЧ | 180-220 | 90(10) | 360 | 70 | 0,11 | 20 | - | 360 | 103 | Для широкопо- |
| 50ВЧ3 | 45-65 | 120(30) | 200 | 100 | 0,14 | 85 | - | 480 | 104 | лосных трансф. |
Табл.4 Свойства некоторых ферритов.
| Рис.5 Конструкция броневого ферритового сердечника. | Рис.6 Общий вид магнитной видеоголовки (указаны приблизительные размеры в мм) |
Монокристаллы магнитомягких ферритов находят довольно широкое применение при изготовлении магнитных головок записи и воспроизведения звукового и видеодиапазонов в магнитофонах. По сравнениюс металлическими ферритовые головки обладают высоким удельным сопротивлением (что важно для уменьшения потерь) и большей твердостью. Из-за высокой скорости движения магнитной ленты при видеозаписи к материалу головки предъявляются повышенные требования в отношении износоустойчивости.