Потери энергии. При перемагничивании магнитных ма-териалов переменным полем петля гистерезиса, характери-зующая затраты энергии на перемагничивание в течение одно-го цикла перемагничивания, расширяется (увеличивает свою площадь) за счет потерь на гистерезис, вихревые токи и маг-нитное последействие. Такую петлю гистерезиса называют ди-намической, а сумму составляющих потерь – полными потеря-ми. Потери энергии, обусловленные перемагничиванием пере-менным полем, вызывают нагрев материала. Вкладом потерь на последействие в нагрев ферромагнетика обычно можно пренебречь.
Потери энергии на гистерезис Эг за один чикл перемагничивания, отнесенной к единице объема материала, определяются на площади статической предельной (или частной) петли гистерезиса
, Дж/м3 (3.21)
Выравнивание, связывающее удельную мощность по-терь на гистерезисе Рг и потери энергии на гистерезис, имеет следующий вид
, Вт/кг, (3.22)
где f – частота перемагничивания, Гц; d – плотность материала кг/м3.
Для практических целей при вычислении удельных по-терь на гистерезис пользуются эмпирической формулой:
, (3.23)
где η – коэффициент, зависящий от свойств материала (η ≈ 1); Вm – максимальная индукция, достигаемая в данном цикле Тл; n – показатель степени, принимающий значения от 1,6 до 2 в зависимости от Вm.
Потери энергии на гистерезис обусловлены необратимы-ми процессами перемагничивания. При этом эти потери за один период изменения внешнего поля остаются постоянными в достаточно широком диапазоне частот.
Потери энергии на вихревые токи обусловлены образо-ванием вихревых токов в проводящей среде за счет ЭДС само-индукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока. Поэтому потери на вихревые токи возрастают пропор-ционально частоте.
Вихревые токи всегда возникают в плоскости, расположенной перпендикулярно магнитному потоку. Под действием переменного магнитного потока в любом контуре, ориентированном вдоль оси магнитного сердечника, возникает ЭДС самоиндукции, пропорциональная частоте и индукции возбуждающегося поля Е ~ f Вm. По закону Джоуля-Ленца ак-тивная мощность, выделяющаяся в материале в виде тепла при возбуждении в нем вихревых токов, определяется выражением
, (3.24)
где γ – удельная проводимость ферромагнетика.
При расчете удельных потерь на вихревые токи исполь-зуют эмпирическую формулу
, Вт/кг, (3.25)
где ξ – коэффициент, пропорциональный удельной проводимо-сти материала и зависящий от геометрической формы и разме-ров поперечного сечения магнитного сердечника.
Так как значение Рв квадратично зависит от частоты пе-ременного магнитного поля, то для снижения потерь на вихре-вые токи необходимо использовать магнитный материал с вы-соким удельным сопротивлением (ферриты) или собирать маг-нитный сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга. Для листового образца удельные потери на вихревые токи находят из выражения
, Вт/м2, (3.26)
где h – толщина листа, м; d – плотность материала, кг/м3; ρ – удельное сопротивление, Ом м.
Потери на магнитное последействие обусловлены от-ставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Спад намагниченности ферромагнетиков по-сле отключения внешнего поля происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени. Время установления стабильного магнитного состояния возрастает с температурой. Одной из причин магнитного последействия является тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным гра-ницам преодолевать энергетические барьеры, мешающие их свободному смещению. Явление отставания магнитной индук-ции от изменения напряженности магнитного поля, называют магнитной вязкостью.
Комплексная магнитная проницаемость и угол по-терь. В слабых магнитных полях и на высоких частотах дина-мическая петля гистерезиса вследствие отставания индукции от напряженности поля имеет форму эллипса. Отставание по фазе индукции от напряженности объясняется действием вих-ревых токов, препятствующих согласно закону Ленца, измене-нию индукции, гистерезисом и магнитной вязкостью. Угол от-ставания δμ называют углом потерь. Магнитную индукцию можно разложить на две составляющие: Вm1 = Bm.cosδμ и Bm2 = Bm . sinδμ. Первая составляющая Вm1 совпадает по фазе с напряженностью поля и связана с обратимыми процессами превращения энергии при перемагничивании, а вторая (Вm2) - отстает от Н на угол π/2 и обусловлена необратимыми процес-сами. Потери на перемагничивание обусловлены лишь состав-ляющей Вm2.
Для характеристики магнитных свойств материалов, ис-пользуемых в целях переменного тока, существуют следующие виды магнитной проницаемости: упругая μ', проницаемость потерь μ", определяющая величину необратимых потерь в об-щем случае на гистерезис, вихревые токи, магнитную вязкость и резонансное поглощение, и комплексная .
Упругая магнитная проницаемость определяется отно-шением
. (3.27)
Введенная ранее относительная проницаемость μ совпа-дает с μ'.
Проницаемость потерь равна
. (3.28)
Наиболее полно описывает процессы намагничивания в переменных полях комплексная проницаемость
. (3.29)
Для характеристики потерь в магнитных материалах в переменных полях вводят параметр tgδμ – тангенс угла маг-нитных потерь, который равен отношению
. (3.30)
Он определяет отношение активной мощности электро-магнитного поля Ра, выделяемой в виде тепла, к полной мощ-ности возбуждающего магнитного поля Р (tgδ = Pa/P).
Практически тангенс угла магнитных потерь определяют по измеренным параметрам катушки индуктивности с магнит-ным сердечников по формуле
, (3.31)
где r – активное сопротивление потерь; ω – угловая частота, L – индуктивность катушки с магнитным сердечником.
Обратную величину tgδμ называют добротностью сер-дечника (Q = 1/tgδμ).
В диапазоне СВЧ при одновременном воздействии на материал взаимно перпендикулярных постоянного и перемен-ного магнитных полей в ферромагнетиках обнаруживается ин-тенсивное поглощение электромагнитной энергии - ферромаг-нитный резонанс. Ферромагнитный резонанс (максимум tgδμ) связан с явлением резонанса при совпадении частоты перемен-ного поля с частотой прецессионного вращения электронных орбит вокруг напряженности постоянного магнитного поля.
Поверхностный эффект. Вихревые токи, индуцируемые в ферромагнетике, согласно закону Ленца стремятся воспре-пятствовать тем изменениям, которые их вызывают. Поэтому собственное магнитное поле вихревых токов всегда стремится ослабить изменение основного магнитного потока, что прояв-ляется в уменьшении индукции и эффективной магнитной про-ницаемости. Размагничивающее действие вихревых токов наи-более резко выражено в центральной части магнитного сер-дечника. Поэтому переменный магнитный поток неравномерно распределяется по сечению магнитного сердечника; магнитная индукция имеет наименьшее значение в центральной части и наибольшее на поверхности. Вытеснение магнитного поля на поверхность, называемое поверхностным эффектом, проявля-ется тем сильнее, чем больше частота его изменения. Измене-ние магнитной индукции по сечению сердечника вдоль нормали к его поверхности характеризуется выражением
, (3.32)
где - магнитная индукция на поверхности сердечника; Δ – глубина проникновения электромагнитного поля в ферро-магнетик.
Значение Δ рассчитывается по формуле
, (3.33)
где ρ – удельное электрическое сопротивление.
Например, для электротехнической стали, имеющей μ = 1000 и ρ = 10-7 мм, а на частоте 106 Гц – лишь 0,005 мм.
Поверхностный эффект используется при создании элек-тромагнитных экранов, служащих для защиты электронных схем от внешних наводок. Для эффективной защиты толщина стенки экрана должна превышать глубину проникновения Δ электромагнитного излучения в материале экрана. На радио-частотах практически непроницаемыми являются экраны из материалов с низким удельным сопротивлением (медь, алюми-ний, латунь). Но на низких частотах экраны из этих материалов неэффективны, поскольку необходимы очень толстые стенки (например, на частоте 50 Гц у меди Δ ≈ 10 мм). В этих случаях используют экраны из магнитных материалов с высоким зна-чением магнитной проницаемости.
По магнитным параметрам и применению магнитные ма-териалы подразделяют на следующие группы:
магнитомягкие низкочастотные материалы, характерным признаком которых является высокая магнитная проницае-мость и малые потери на перемагничивание; удельное электрическое сопротивление этих материалов составляет 10-6 ÷ 10-7 Ом м;
магнитомягкие высокочастотные материалы, имеющие высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную си-лу (малые потери на перемагничивание); удельное электриче-ское сопротивление их велико и составляет 10 – 108 Ом м;
магнитотвердые материалы, характеризующиеся боль-шой коэрцитивной силой (до 500 кА/м);
магнитные материалы специального назначения, к кото-рым относятся: материалы с прямоугольной петлей гистерези-са, магнитострикционные материалы, материалы для устройств СВЧ диапазона, магнитные пленки с цилиндрическими маг-нитными доменами (ЦМД) и др.
3.5. Магнитомягкие низкочастотные материалы
Железо. В радиоэлектронной аппаратуре применяют особо чистое железо – электролитическое, карбонильное и технически чистое железо (армкожелезо). Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокис-лого или хлористого железа. Карбонильное железо получают термическим разложением пентакарбонила железа согласно уравнению
Fe(CO)5 = Fe + 5 CO. (3.34)
Оно имеет вид тонкодисперсного порошка, свободного от примесей кремния, фосфора, серы. Применяется для изго-товления магнитных сердечников методом прессования.
Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, изготавливает-ся рафинированием чугуна в мартеновских печах, бессемеров-ских или томасовских конверторах.
Все виды железа применяются для изготовления магни-топроводов на постоянном токе или на очень низких частотах из-за низкого удельного сопротивления (ρ ≈ 9,7 10-8 Ом м). В табл. 3.2 приведены магнитные свойства различных видов же-леза.
Таблица 3.2
Состав и магнитные свойства различных видов железа
Наименование материала Содержание примесей, % Мн Мmax Нc (A/м) Вs (Тл) ρ
(Ом м)
С О
1 2 3 4 5 6 7 8
Элекролити-ческое железо 0,02 0,01 600 15000 28 2,2 0,1 10-6
Карбонильное железо 0,005 0,005 3300 21000 6,4 2,18 0,1 10-6
Продолжение табл.3.2
1 2 3 4 5 6 7 8
Технически чистое железо 0,02 0,07 250 7000 80 2,18 0,1 10-6
Железо, обра-ботанное в во-дороде 0,005 0,003 6000 200000 7,2 - 0,1 10-6
Электротехническая сталь. Кремнистая электротехни-ческая сталь является одним из основных материалов массово-го применения. Введением в состав стали кремния повышают удельное сопротивление ρ до 50 10-8 Ом м, что вызывает сни-жение потерь на вихревые токи. Кремний является хорошим раскислителем стали, при этом углерод переводится из цемен-тита (Fe3C), ухудшающий магнитные свойства, в графит, вы-падающий в виде мелких включений. Кремний снижает также магнитострикцию и анизотропию, улучшат крупнозернистость. Все это приводит к увеличению µн, уменьшению Нс и к сни-жению потерь на гистерезис, но ухудшает технологические свойства - растет трудоемкость и повышается хрупкость.
По технологии изготовления различают горячекатаные и холоднокатаные стали. Горячекатаные стали выпускают в виде листов толщиной 0,35 – 1,0 мм для частот f = 50 – 400 Гц и 0,1 – 0,2 мм для повышенных частот. Уменьшение толщины снижает потери на вихревые токи, но снижает и индукцию. Горячекатаная сталь применяется для изготовления генерато-ров, двигателей и трансформаторов, рассчитанных на частоту 50 Гц.
Различают холодно- и горячекатаные стали. При холод-ной прокатке листов с промежуточным длительным отжигом происходит упорядочение кристаллов: зерна получают пре-имущественную ориентацию, при этом ребра [100] оказывают-ся расположенными параллельно направлению проката. Такая электротехническая сталь называется текстурированной (с ребровой текстурой) – магнитные свойства материала вдоль проката выше. Холодная прокатка производится из горячека-таной стали с толщины 2,5 - 2,8 мм до 0,2 - 0,1 мм в несколько циклов с отжигом в среде водорода или в вакууме. При отжиге снимаются напряжения и удаляются вредные примеси. Холод-нокатаная сталь имеет более высокую магнитную индукцию и более низкие потери. Для небольших силовых трансформато-ров применение холоднокатаной стали снижает потери на 40 % и расход материала на 30 %. Наибольший эффект дает приме-нение холоднокатаной стали в ленточных трансформаторах. Холоднокатаная сталь выпускается в виде листов и лент тол-щиной 0,2 – 0,5 мм для использования на частоте f = 50 Гц в сильных и средних полях; и толщиной 0,5 - 0,15 мм на часто-те f = 400 Гц в средних полях.
Сталь электротехническую тонколистовую подразделяют и маркируют:
- по структурному состоянию и виду проката на классы (первая цифра марки) 1 – горячекатаная изотропная; 2 - холод-нокатаная изотропная; 3 – холоднокатаная анизотропная с реб-ровой текстурой; 5 – холоднокатаная изотропная с плоской ку-бической текстурой;
- по содержанию кремния (вторая цифра марки) 0 – с со-держанием кремния до 0,4 % включительно (нелегированная), 1 – от 0,4 до 0,8 % Si включительно, 2 – от 0,8 до 1,8 % Si включительно, 3 – от 1,8 до 2,8 % Si включительно, 4 – от 2,8 до 3,8 % Si включительно, 5 – от 3,8 до 4,8 % Si включительно;
- по основной нормируемой характеристике на группы (третья цифра) 0 – удельные потери в Вт/кг при магнитной индукции В = 1,7 Тл и частоте 50 Гц (Р1,7/50); 1 – при В = 1,5 Тл и 50 Гц (Р1,5/50); 2 – при В = 1,0 Тл и 400 Гц (Р1,0/400); 6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при Н = 0,4 А/м (В0,4); 7 – магнитная индукция в средних маг-нитных полях при Н = 10 А/м (В1,0).
Сталь маркируется четырьмя цифрами. Вместе первые три цифры означают тип стали, а четвертая – порядковый но-мер типа стали.
В табл. 3.3 указана плотность и удельное электрическое сопротивление в зависимости от содержания кремния. В табл. 3.4 приведены предельные значения удельных потерь и индукции для стали класса 2, а в табл. 3.5 для стали класса 3.
Сталь поставляется либо без покрытия и с термостойким покрытием, не ухудшающим штампуемость, с нетермостойким электроизоляционным покрытием, с термостойким электро-изоляционным покрытием. Тип покрытия согласуется с потре-бителем.
Таблица 3.3
Плотность и удельное сопротивление электротехнической
стали в зависимости от содержания кремния
Степень легирования кремнием Вторая цифра марки Плотность (кг/м3) 10-3 Удельное сопро-тивление
ρ (Ом м) 10-6
нелегированная 0 7,85 0,14
слаболегированная 1 7,82 0,17
нижесреднелегированная 2 7,80 0,25
среднелегированная 3 7,75 0,40
повышеннолегированная 4 7,65 0,50
высоколегированная 5 7,55 0,60
Таблица 3.4
Предельные значения удельных потерь и магнитной
индукции электротехнической стали класса 2
Марка Тол-щины (мм) Удельные потери Вт/кг (не более) Магнитная индукция (Тл) при напряженности Н (А/м)
(не менее)
Р1,0/50 Р1,5/50 1000 2500 5000 10000 30000
1 2 3 4 5 6 7 8 9
2013 0,65 3,1 7,0 1,55 1,64 1,74 1,85 2,05
0,50 2,5 5,6 1,54 1,65 1,75 1,85 2,05
Продолжение табл.3.4
1 2 3 4 5 6 7 8 9
2112 0,65 3,5 8,0 1,46 1,59 1,67 1,77 2,02
0,50 2,6 6,0 1,46 1,60 1,68 1,77 2,02
2212 0,65 2,6 6,3 1,42 1,58 1,67 1,77 2,00
0,50 2,2 5,0 1,42 1,60 1,68 1,77 2,00
2312 0,65 2,4 5,06 1,38 1,54 1,64 1,72 1,96
0,50 1,75 4,0 1,4 1,56 1,66 1,76 1,96
2412 0,65 1,30 3,1 1,35 1,50 1,60 1,70 1,95
0,50 1,15 2,5 1,35 1,50 1,60 1,70 1,95
Таблица 3.5
Предельные значения удельных потерь и магнитной
индукции электротехнической стали класса 3
Марка Тол-щина (мм) Удельные потери (Вт/кг) (не более) Магнитная индукция (Тл) при напряженности Н (А/м) (не менее)
Р1,0/50 Р1,5/50 Р1,7/50 100 250 2500
3411 0,50 1,10 2,45 3,2 - - 1,75
0,35 0,80 7,75 2,50 - - 1,75
3414 0,50 0,70 1,50 2,20 1,60 1,70 1,88
0,35 0,50 1,10 1,60 1,60 1,70 1,88
3415 0,35 0,46 1,03 1,50 1,61 1,71 1,90
На рис. 3.14 представлена зависимость магнитной ин-дукции от напряженности магнитного поля для двух марок электротехнических сталей 1521 и 1572.
Рис. 3.14. Зависимость магнитной индукции от напряженности поля электротехнической стали: 1 – марка стали 1521; 2 – марка ста-ли 1572
Низкокоэрцитивные высокопроницаемые сплавы. Пермаллой – это сплав железа с никелем, обладающий боль-шой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень малой коэрцитивной силой. Свойства пермаллоев в сильной степени зависит от содержаний никеля. Поэтому их подразделяют на высоконикелевые (72 – 80 % Ni) и низкони-келевые (40 – 50 % Ni).
На рис. 3.15 представлены графики зависимостей основ-ных магнитных параметров от содержания никеля. Как видно из рисунка, наибольшая магнитная проницаемость получается для сплава, содержащего 78,5 % Ni (μmax ≈ 100000). Из рисунка также видно, что индукция насыщения высоконикелевых пер-маллоев (Вs = 0,8 – 1 Т) почти в два раза ниже, чем у электро-технической стали и в полтора раза ниже, чем у низконикеле-вых сплавов. Магнитная проницаемость высоконикелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых спла-вов и намного выше, чем у электротехнических сталей. Удель-ное сопротивление у низконикелевых сплавов примерно в 3 раза больше, чем у высоконикелевых, поэтому их обычно при-меняют на более высоких частотах.
Рис. 3.15. Зависимость магнитных свойств и удельных сопро-тивлений сплавов железо-никель от содержания никеля
Очень легкая намагниченность в слабых полях пермал-лоев объясняется практически отсутствием у них анизотропии и явления магнитострикции.
Магнитные свойства их очень чувствительны к внешним механическим напряжениям, наличию примесей в сплаве, а также зависят от режима термообработки. Высоконикелевые пермаллои имеют добавки (молибден, хром, медь, кремний, марганец) с целью снижения температуры, отвечающей точке Кюри, и увеличения µmax. Кроме того, молибден и хром повы-шают удельное сопротивление и начальную магнитную прони-цаемость и уменьшают чувствительность к деформациям, но снижают индукцию насыщения. Медь увеличивает постоянст-во µ в узких интервалах напряженности магнитного поля, по-вышает температурную стабильность и удельное сопротивле-ние, а также улучшает технологические свойства. Кремний и марганец в основном увеличивают удельное сопротивление пермаллоев.
На рис. 3.16 приведены графики зависимости макси-мальной магнитной проницаемости от режима термообработ-ки. Как видно из рисунка, пермаллой очень чувствителен к термообработке. Пермаллойная обработка заключается в гомо-генизирующем отжиге при Т = 1000 – 1100 оС и повторном на-греве до 600 – 650 оС с последующим охлаждением до 350 – 400 оС со скоростью 20 - 80 оС/с. При такой обработке можно получить высокое значение магнитной проницаемо-сти µн = 10000, µmax = 100000, при Вs = 1,1 Тл и Нс = 1,6 А/м. В табл. 3.6 приведены примеры рекомендованных режимов тер-мообработки пермаллоев.
Еще большее значение магнитной проницаемости полу-чают при термомагнитной обработке, заключающейся в том, что охлаждение после термической обработки ведется в посто-янном магнитном поле. Так, у сплава 79 Ni (супермаллой) удалось получить с помощью термомагнитной обработки µн = 10000, µmax = 1,5 106 при Вs = 0,8 Тл и Нс = 0,3 А/м.
Рис. 3.16. Зависимость максимальной магнитной прони-цаемости пермаллоя от режима термообработки: а - без термо-обработки; б – при пермаллойной обработке; в – при термо-магнитной термообработке
Сплавы железоникелевые с высокой магнитной прони-цаемостью выпускаются группами, каждая из которых имеет несколько марок. В марках пермаллоев Н обозначает никель, цифра перед Н обозначает процентное содержание Ni. После буквы Н буква К обозначает кобальт, М – марганец, Х – хром, С – кремний, Д – медь. Дополнительная буква У обозначает сплав с улучшенными свойствами, П – с прямоугольной петлей гистерезиса. В табл. 3.7 приведены сведения о свойствах неко-торых марок пермаллоев.
Высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД ис-пользуют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов; при толщине листов 0,02 мм – для сердечников импульсных трансформато-ров, магнитных усилителей и бесконтактных реле.
Таблица 3.6
Режимы термообработки сплавов Fe-Ni, Fe-Co
Марка Температура на-грева, достигае-мая со скоростью
400-500 оС/час Режим охлаждения
45 Н 1100 - 1250 до 600 оС со скоростью
100 – 200 оС/час; до 200 оС со ско-ростью 400 оС/час (не более)
50НХС 1100 - 1150 до 400 оС со скоростью 100 оС/час и далее охлаждение на воздухе
76НХD 1100 – 1150 до 500 оС со скоростью 50 оС/час, до 300 оС со скоростью 10 оС/час и далее со скоростью 400 оС/час (не более)
49К2Ф 820 до 500 оС со скоростью 100 оС/час
49КФ 1110
Примечание: термообработку проводят в вакууме, время вы-держки 3 – 6 час
Низконикелевые пермаллои 45Н, 50Н применяют для из-готовления сердечников малогабаритных силовых трансфор-маторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, рабо-тающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Из сплава 50НХС изготавли-вают сердечники импульсных трансформаторов в аппаратуре связи звуковых и высоких частот, в устройствах памяти.
В отличие от электротехнических сталей магнитомягкие сплавы поставляются только в термически необработанном со-стоянии. Высокие магнитные свойства приобретаются только при соответствующей термической обработки (табл.3.6).
Таблица 3.7
Состав и свойства некоторых пермаллоев
Группа Марка µн µmax Нс, А/м Вs,
Тл ρ,
Ом м 106
Нелегированные низконикелевые 45Н, 50Н 1700-3000 16000-35000 32-10 1,5 0,45
Легированные низконикелевые 50НХС 1500-3200 15000-30000 20-8 1,0 0,9
Легированные
высоконикелевые 79НМ,
80НХС,
76НХД,
79НМ-У 16000-35000 50000-220000 5,5-1,0 0,65 0,55
Суперпермаллой,
79 % Ni, 5 % Mo, 15 % Fe, 0,5 % Mn - 100000
до 1500000 при
В=0,3 Тл 0,3 0,8 0,6
Сплавы системы Fe-Co (пермендюры) являются магнит-ными материалами с высокой индукцией насыщения Вs (до 2,4 Тл) и температурой Кюрия до 1050 оС. Для улучшения тех-нологических свойств при механической обработке в эти спла-вы вводится ванадий (V). В виде листовых холоднокатаных лент и листов выпускаются сплавы марок 49КФ, 49К2Ф, 48КНФ. Сплавы системы Fe-Co обладают самым большим зна-чением индукции насыщения в магнитных полях с напряжен-ностью магнитного поля до 15 кА/м. Пермендюры использу-ются в устройствах с подмагничиванием: мембраны телефо-нов, репродукторов, дроссели фильтров выпрямителей, сер-дечники электромагнитов и силовых трансформаторов и как магнитострикционные материалы. Ограничением по примене-нию их является достаточно высокая стоимость.
Альсиферы – тройные сплавы железа с кремнием и алю-минием. Оптимальный состав альсифера: 9,5 % Si, 5,6 % Al, остальное Fe. Магнитные свойства альсифера: µн = 35000; µmax = 117000; Нс = 1,8 А/м; ρ = 800 10-8 Ом м, т.е. не уступают свойствам высоконикелевых пермаллоев. В отличие от карбо-нильного железа альсифер обладает отрицательным темпера-турным коэффициентом магнитной проницаемости.
Благодаря высокой хрупкости его можно размалывать в порошок и использовать для изготовления высокочастотных подстроечных сердечников методом порошковой металлургии.
Аморфные магнитные сплавы. Особенностью аморф-ных материалов является отсутствие в них дальнего порядка. Возможность существования ферромагнетизма в аморфных те-лах теоретически обоснована в 1960 г. А.И.Губановым, а экс-периментально подтверждена в 1968 г. Аморфные тела обла-дают упорядоченной ориентацией спиновых магнитных мо-ментов несмотря на отсутствие периодичности в пространст-венном расположении атомов.
Магнитные аморфные сплавы, называемые металличе-скими стеклами, содержат в качестве основного состава один или несколько переходных металлов Fe, Ni, Co в количестве 75 - 85 %, металлоиды (аморфизаторы) Si, Ge, Sb, P, C, B и другие легирующие элементы (Cr, Ta, V, Mn и др.) для улуч-шения различных свойств (термической стабильности, повы-шения удельного сопротивления и коррозионной стойкости).
Кроме того, получены аморфные магнитные пленки на основе редкоземельных элементов La, Cr, Pr, Nd, Gd, Sm с ме-таллами нормальной валентности (Cu, Ga, Sn, Zn).
Существует несколько методов формирования аморфных ферромагнитных сплавов.
1. Конденсация паров металлических сплавов. При этом способе расплав нагревают до температуры испарения и на-правляют полученный поток пара на подложку, охлажденную до температуры жидкого азота или гелия. Конденсацией пара в вакууме получают ферромагнитные пленки в аморфном со-стоянии из Fe, Ni, Co, Mn толщиной до 1 мкм.
2. Высокоскоростное ионно-плазменное распыление на охлаждаемую подложку. Таким способом получают аморфные пленки составов SmCo2, Cm2Co17, Fe80B20, Fe-Ni-Cr-B и др. тол-щиной до 5 мкм.
3. Электролитическое и химическое осаждение. Способ осаждения позволяет получить аморфные слои толщиной до 0,2 мм. Этим способом были получены аморфные пленки со-ставов: Co100-x Px, где х = 17 – 22 %; Со50Ni26P24; Ni80P20.
4. Быстрая закалка металлических расплавов. При этом способе расплав выдавливают небольшим избыточным давле-нием нейтрального газа из кварцевого или керамического тиг-ля на быстро вращающуюся металлическую поверхность, ин-тенсивно отводящую теплоту. Средняя скорость охлажде-ния выдавливаемой струи расплава 105 – 108 оС/с. Таким методом получают аморфные магнитные пленки толщиной 10 – 100 мкм. В настоящее время известно свыше 200 систем, в которых получают аморфную структуру закалкой расплавов. Методом закалки металлических расплавов получают ферро-магнитные пленки: на основе элементов Fe, Ni, Co с 20 % ато-мов металлоидов Si, Ge, Sb, P, C, на основе редкоземельных элементов La, Ce, Pr, Nd, Gd с металлами нормальной валент-ности Fg, Fu, Cu, Ga, Jn, Sn.
Аморфное состояние сплавов является термостабильным. Поэтому после формирования пленок их подвергают отжигу, в процессе которого происходит релаксация к более стабильно-му состоянию стеклофазы.
Магнитные свойства аморфных сплавов сохраняются до температуры Та = (0,3 – 0,35) Тпл (Тпл – средняя температура плавления сплава). А при нагревании выше температуры (0,4 – 0,65) Тпл наблюдается постепенный переход аморфного состояния в кристаллическое состояние.
Считалось, что структура аморфных тел изотропна, по-скольку отсутствует кристаллографическая анизотропия. Од-нако выявление в аморфных сплавах магнитной анизотропии показало ее связь с макроскопической анизотропией структу-ры. Анизотропия атомной структуры возникает в процессе по-лучения лент непосредственно перед стеклованием, когда вяз-кость расплава резко возрастает, вызывая сдвиговые напряже-ния и деформации. Анизотропия в структуре создает ось лег-кого намагничивания, расположенную вблизи главной оси лен-ты. Магнитная анизотропия увеличивается при отжиге в маг-нитном поле.
Аморфные сплавы непосредственно после их получения еще не обладают комплексом высоких магнитных свойств. Как правило, они имеют повышенное значение коэрцитивной силы Нс и невысокое значение магнитной проницаемости. Для по-вышения этих значений проводят термическую обработку аморфных сплавов при наложении внешнего магнитного поля. Применяют несколько видов термообработки:
1. Термообработка в продольном магнитном поле увели-чивает максимальную магнитную проницаемость µmax и коэф-фициент прямоугольности петли гистерезиса, уменьшает коэр-цитивную силу Нс и динамические потери.
2. Термообработка в поперечном магнитном поле повы-шает начальную магнитную проницаемость µн, снижает маг-нитные потери.
3. Термообработка во вращающемся магнитном поле применяется для высококобальтовых сплавов с температурой Кюри, превышающей температуру кристаллизации. Она по-вышает начальную магнитную проницаемость и препятствует стабилизации границ доменов.
Оптимальная обработка аморфных сплавов должна обес-печивать высокую магнитную проницаемость, малую коэрци-тивную силу, высокие значения индукции насыщения и удель-ного электрического сопротивления, что обусловливает малые потери на гистерезис и вихревые токи. Кроме того аморфные магнитные сплавы имеют высокие механические свойства (прочность и износостойкость), а также коррозионную стой-кость. Магнитные свойства их мало подвержены влиянию ме-ханических напряжений.
В табл. 3.8 приведены для примера магнитные свойства аморфных сплавов на основе железа, никеля и кобальта.
Таблица 3.8
Свойства аморфных магнитных сплавов на основе
Fe, Fe-Ni и Fe-Co
Состав µн µmax Bs, Тл Ηс, А/м Тк, оС ρ. 108 Ом м
Fe80B20 2 104 2 105 1,6 2,4 374 145
Fe78Si10B12 - - 1,55 4,8 447 155
Fe40Ni40P14B6 5 103 - 0,79 1,6 264 180
Fe4,5Co70,5Si10B15 1 104 - 0,85 1,6 420 150
Отечественной промышленностью выпущены магнитные ленточные аморфные сплавы, марки и магнитные свойства, ко-торых приведены в справочной литературе /3/.
Аморфные сплавы используют:
1. В технике магнитной записи и воспроизведения в ка-честве магнитопроводов и экранов. При этом повышаются экс-плуатационные характеристик (индукция насыщения, плот-ность записи, износостойкость). Рабочий диапазон частот до десятков мегагерц.
2. В трансформаторах, импульсных источниках питания и преобразователях постоянного напряжения на частотах до единиц мегагерц, где важно иметь высокое значение индукции насыщения, общие низкие потери и большой коэффициент прямоугольности петли гистерезиса.
3. В магнитоуправляемых линиях задержки.
4. В магниторезистивных головках с высокой плотно-стью записи.
Методом высокоскоростного ионно-плазменного распы-ления получены аморфные пленки из магнитотвердого сплава SmCo5 с магнитной энергией 120 кТл А/м, которые могут при-меняться для изготовления малогабаритных постоянных маг-нитов различного назначения.В табл.3.9 приведены магнитные свойства различных магнитомягких ферромагнитных материа-лов.
Таблица 3.9
Свойства магнитомягких ферромагнитных материалов
Материалы Магнитная про-ницаемость Нс, А/м Вs, Тл ρ.108,
Ом м
μн μmax
Карбонильное желе-зо 2000-3000 21000 6,4 2,18 10
Электротехническая сталь 200-600 3000-8000 10-65 1,95-2,02 25-60
Низконикелевый пермаллой 1500-4000 15000-60000 5-35 1,0-1,6 45-90
Высоконикелевый пермаллой 7000-22000 50000-130000 0,65-5 0,65-1,05 16-85
Суперпермаллой (79НМ) 100000 1500000 0,3 0,8 60
Железо-кобальтовый сплав 5000 - 140-160 2-2,2 20-40
Аморфный магнит-ный сплав (Fe80B20) 20000 200000 2.4 1,6 145
Из таблицы видно, что пермаллои и аморфные сплавы являются наиболее высокопроницаемыми материалами с ма-лой коэрцитивной силой
3.6. Магнитомягкие высокочастотные материалы
Ферромагнитные материалы (электрическая сталь, пер-маллой) не пригодны для работы на частотах выше 103 – 104 Гц вследствие их низкого удельного электрического сопротивле-ния и высоких потерь на перемагничивание. Поэтому для ра-боты в радиочастотном диапазоне применяются в основном два класса материалов – ферриты и магнитодиэлектрики.
3.6.1. Ферриты
Химический состав и строение ферритов. Ферриты – это оксидные магнитные материалы, относящиеся к ферро-магнетикам, основной особенностью которых является вы-сокое удельное электрическое сопротивление, достигающее 108 Ом м, и широкий диапазон значений начальной магнитной проницаемости от 10 до 20000.
По составу ферриты представляют химические соедине-ния окисла железа Fe2O3 c окислами других металлов. В на-стоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, кристаллической структуре, магнитным и электрическим свойствам.
Наиболее широкое применение нашли ферриты со струк-турой минерала шпинели. Химический состав ферритов-шпинелей отвечает формуле MeFe2O4 (МеОFe2O3), где Me – катион двухвалентного металла. Элементарная ячейка шпине-ли представляет собой куб с ребром а = 8,5 А, в состав которо-го входит восемь структурных единиц типа MeFe2O4, т.е. 32 иона кислорода, 16 ионов трехвалентного железа и 8 ионов двухвалентного металла (рис. 3.17).
Ферриты-шпинели, обладающие высокими магнитными свойствами, имеют структуру, в которой катионы Me2+ нахо-дятся в позициях типа В, а катионы трехвалентного железа распределяются между позициями типа А и В. Такая структура получила название обращенной шпинели. Формулу обращен-ной шпинели с учетом распределения катионов можно запи-сать в виде
, (3.35)
где стрелки условно указывают направления магнитных мо-ментов катионов в соответствующих подрешетках.
Рис. 3.17. Элементарная ячейка шпинели: белые шарики – ионы кислорода; черные - катионы в тетраэдрических положениях; заштрихованные – катионы в ок-таэдрических положениях Рис. 3.18. Схематическое изображение кислород-ных междуузлий: тетра-эдрических типа А; окта-эдрических типа В (в центре – металлический катион)
Высокие магнитные свойства феррошпинели проявляют-ся, если в качестве Ме используются металлы Ni, Mn. Худшие магнитные свойства проявляются у ферритов, у которых иона-ми Ме служат Со, Сu, Мg. Феррит считается немагнитными, если в качестве ионов Ме служат Zn и Cd. К феррошпинелям относятся и феррит одновалентного лития.
В ферритах магнитоактивные катионы находятся доста-точно далеко друг от друга, поскольку они разделены аниона-ми кислорода, не обладающими магнитным моментом. Поэто-му прямое обменное взаимодействие между катионами оказы-вается очень слабым или отсутствует вообще. Согласно теории ферримагнетизма, предложенной Л.Неелем и развитой совет-скими и зарубежными учеными, в ферритах решающую роль в обеспечении магнитных свойств играет косвенное обменное взаимодействие, осуществляемое при участии кислородных ионов. Главным является взаимодействие по типу А-О-В, т.е. обменное взаимодействие между катионами, занимающими различные междоузлия. Катионы, находящиеся в междоузлиях одного типа, образуют свою собственную подрешетку, в кото-рой все ионы имеют одинаковые направления магнитного мо-мента. Поэтому спонтанная намагниченность феррита-шпинели равна разности намагниченности двух подрешеток:
ЈMS = Ј MA − Ј MB. (3.36)
Из выражения следует, что магнетизм ферритов проявля-ется как не скомпенсированный антиферромагнетизм. Ферри-ты, обладающие наиболее ценными магнитными свойствами и нашедшие широкое применение, представляют собой твердые растворы замещения, образованные двумя ферритами, один из которых (Ni∙Fe2∙O4 или Mn∙Fe2∙O4) является ферримагнетиком, а другой(Zn∙Fe2∙O4) – немагнитен. В таких ферритах катионы цинка в структуре шпинели всегда занимают тетраэдрические кислородные междоузлия, а катионы трехвалентного железа находятся как тетра-, так и в октаэдрических промежутках. Со-став твердого раствора с учетом распределения катионов по кислородным междоузлиям можно изобразить в виде форму-лы:
, (3.37)
где х - концетрация цинка.
Из формулы видно, что вхождение цинка в кристалли-ческую решетку сопровождается вытеснением железа из тетра-эдрической (А) подрешетки в октаэдрическую (В). Соответст-венно уменьшается намагниченность тетраэдрической (А) под-решетки и снижается степень компенсации магнитных момен-тов катионов, находящихся в различных подрешетках (А и В). В результате возрастает общая намагниченность материала. Следовательно, введение немагнитного компонента (Zn) в феррит приводит к увеличению намагниченности насыщения (Bs), но при этом снижается температура перехода его из фер-римагнитного состояния в парамагнитное (точка Кюри).
Ослабление обменного взаимодействия между катионами при введении немагнитного компонента приводит также к уменьшению магнитной кристаллографической анизотропии и магнитострикции, что облегчает перемагничивание феррита в слабых магнитных полях, то есть возрастает начальная маг-нитная проницаемость.
Максимальному значению μн отвечают ферриты с опре-деленной концентрацией цинка. Например, для никель- цин-кового феррита максимальному значению отвечает состав 50 % Fe2O3, 15% NiO, 35% ZnO , что соответствует твердому рас-твору Ni1-x Znx Fe2 O4 с х ≈ 0,7.
На значения величин начальной магнитной проницатель-ности и коэрцитивной силы влияет не только состав ферритов, но и наличие дефектов в структуре (участки с дефектом кри-сталлической решетки, поры, включение побочных фаз и др.), которые мешают свободному перемещению доменных границ при воздействии слабых магнитных полей. Большое влияние на μн оказывает размер кристаллических зерен. Например, мар-ганец-цинковые ферриты с крупнозернистой структурой (с раз-мером кристаллитов около 40 мкм) могут иметь μн около 20000.
Ферриты получают в виде поликристаллической керами-ки и монокристаллов. В отличие от радиокерамики поликри-сталлические ферриты совершенно не содержат стеклообраз-ной фазы.
Технология получения поликристаллических ферритов состоит из следующих основных операций:
поучение исходных окислов методами термического раз-ложения солей или совместного осаждения солей и гидрооки-сей;
смешивание оксидов Fe2O3 и MeO;
брикетирование или гранулирование;
предварительный обжиг при температуре 900 - 1000 оС;
тонкий помол с добавлением пластификаторов;
формообразование изделий прессованиям;
обжиг изделий в окислительной среде, в результате кото-рого формируется определенная структура феррита.
Монокристаллические ферриты обладают рядом свойств ( малая ширина кривой магнитного резонанса, высокая оптиче-ская прозрачность, высокое удельное электрическое сопро-тивление, большая механическая износостойкость и другие), позволяющих применять их в приборах сверхвысоких частот и магнитной записи, в вычислительной технике и оптических приборах ( состав и структура таких ферритов будут рассмот-рена в п.3.8).
Монокристаллы ферритов выращиваются различными способами: из раствора в расплаве (спонтанная кристаллиза-ция); методами Вернейля, Бриджмена, Чохральского; зонной плавкой; гидротермальным методом. В промышленных усло-виях наибольшее распространение получили метод выращива-ния из раствора в расплаве (спонтанная кристаллизация) и плазменно- водородный метод (метод Вернейля).
При выращивании ферритов из раствора в расплаве (спонтанная кристаллизация) приготавливают шихту, состоя-щую из компонентов феррита и растворителя, который должен иметь низкую температуру плавления и слабую летучесть (ок-сиды PbO, PbF2, B2O3 и др.). После тщательного перемешива-ния шихту нагревают до расплавления, выдерживают опреде-ленное время и затем медленно охлаждают с контролируемой скоростью. После охлаждения кристаллы отделяют от затвер-девшего растворителя кипячением в растворе азотной кислоты.
По методу Вернейля кристаллы выращиваются в кисло-родно-водородном пламени кристаллизационного аппарата. Приготовленная керамическим способом тонкодисперсная шихта малыми порциями подается через зону пламени кисло-родно-водородной смеси на жаропрочную затравку - свечу (кристаллоноситель). На свече сначала образуется конус из спеченных частиц, а затем из вершины конуса вырастает моно-кристалл, по мере роста которого свеча опускается. Поступле-ние шихты и опускание кристалла уравновешиваются, чтобы поверхность роста кристалла оставалась на постоянном уровне.
Монокристаллические ферритовые пленки выращивают путем осаждения (эпитаксии) из жидкой фазы на подложку из немагнитных монокристаллов. Жидкая фаза представляет со-бой раствор-расплав, состоящий из смеси исходных оксидов (в соответствии с химическим составом выращиваемой феррито-вой пленки) и легкоплавких составляющих, обеспечивающих плавление смеси при относительной низких температурах.
Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами, которые допускают обработку поверхностей только шлифова-нием или полированием. Для резки ферритов используются диски с режущей кромкой из искусственного алмаза. При ме-ханических нагрузках в ферритовых изделиях создаются на-пряжения, которые могут менять электромагнитные парамет-ры.
Магнитные свойства. В качестве магнитомягких мате-риалов для радиочастот широко применяемой поликристалли-ческие марганец-цинковые (система MnO-ZnO-Fe2O3) и ни-кель-цинковые (система NiO-ZnO-Fe2O3) ферриты. Ферриты обычно применяются в слабых и средних полях, так как они имеют относительно низкую индукцию насыщения (Bs = 0,15-0,7 Тл). Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной магнитной проницаемости μн важной харак-теристикой является тангенс угла магнитных потерь tgδм. Так как ферриты имеют высокое удельное электрическое сопро-тивление, то составляющая потерь на вихревые токи очень ма-ла и ею можно пренебречь. В слабых магнитных полях незна-чительными оказываются и потери на гистерезис. Поэтому tgδм в ферритах на высоких частотах в основном определяется маг-нитными потерями, обусловленными релаксационными и ре-зонансными явлениями. При повышении частоты tgδм возрас-тает, а начальная магнитная проницаемость уменьшается. Уменьшение μн и возрастание tgδм вне области резонанса мо-жет быть связано с инерционностью смещения доменных гра-ниц и размагничивающим действием вихревых токов. Для оценки допустимого частотного диапазона, в котором может использоваться данный феррит, вводят понятие критической частоты fКР. Обычно под fКР понимают такую частоту маг-нитного поля, при которой tgδм достигает 0,1. Существует опре-деленная связь между величиной μн и критической частотой: чем выше μн, тем ниже fКР (рис. 3.19). При этом ферриты с большим значением начальной магнитной проницаемости обладают бо-лее высоким значением tg м, критическая частота их ниже.
Рис.3.19. Зависимость μн и tgδм от частоты ферритов: 1 – 1000НН; 2 – 600НН; 3 – 200НН (стрелкой показано значение tgδм = 0,1 для одного феррита) Рис. 3.20. Зависимость μн от температуры для марганец– цинковых и никель–цинковых ферритов
В области частот до 1 МГц при одинаковом значении μн марганец-цинковые ферриты имеют меньшее значение tgδм по сравнению с никель-цинковыми. Это объясняется очень малы-ми потерями на гистерезис у них в слабых магнитных полях. Кроме того высоко проницаемые марганец- цинковые ферриты обладают повышенной индукцией насыщения и более высокой температурой Кюри (Тк). Но марганец-цинковые ферриты вследствие более низкого удельного электрического сопротив-ления (у Mn-Zn ферритов ρ = 0,5 - 10 Oм∙м, у Ni-Zn ферритов - 104 - 105 Ом∙м) применяются на частотах до единиц мегагерц, а никель- цинковые применяются как низкочастотные, так и вы-сокочастотные (до сотен мегагерц). Кроме того марганец- цин-ковые ферриты характеризуются меньшей стабильностью маг-нитных свойств во времени.
Зависимость начальной магнитной проницаемости фер-ритов двух составов от температуры приведена на рис. 3.20.
Из рисунка видно, что μн повышается с ростом темпера-туры до точки Кюри, а затем резко падает. При этом, чем выше μн , тем ниже точка Кюри для ферритов одной и той же систе-мы окислов.
По электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводников или даже диэлектриков. Их электропровод-ность обусловлена процессами электронного обмена между ионами переменной валентности. Основным фактором, влияющим на электропроводность, является присутствие в ферритах ионов двухвалентного железа Fe2+. Под влиянием те-плового движения слабосвязанные электроны перескакивают от ионов Fe2+ к ионам Fe3+, понижая валентность последних. Наибольшей концентрации ионов двухвалентного железа и по-этому наименьшим удельным сопротивлением обладает фер-рит железа (FeO ∙ Fe2O3), у которого ρ = 5∙10-5 Ом∙м. Присутст-вие в ферритах– шпинелях ионов двухвалентного железа при-водит к ослаблению анизотропии и магнитострикции, что бла-гоприятно отражается на значении μн. Из этого вытекает зако-номерность - ферриты с большой μн, как правило, обладают невысоким удельным электрическим сопротивлением.
Для ферритов характерна большая величина относитель-ной диэлектрической проницаемости ε, которая зависит от со-става и частоты. Наибольшее значение ε присуще марганец- цинковым ферритам, у которых она достигает сотни и тысяч единиц.
Применение ферритов. Для характеристики магнито-мягких ферритов различного назначения кроме основных па-раметров: начальной магнитной проницаемости, тангенса угла магнитных потерь, индукции насыщения, коэрцитивной силы, критической частоты и точки Кюри (μн, tgδм, BS, HC, fКР, Tк), вводят ряд дополнительных параметров: относительный тан-генс угла магнитных потерь tgδм ∕μн, относительный темпера-турный коэффициент начальной магнитной проницаемости αμн ∕μн , относительный коэффициент дезакоммодации (спада) на-чальной магнитной проницаемости D∕μн (где D изменение μн во времени) и другие.
Для маркировки магнитомягких ферритов введены сле-дующие обозначения: цифры перед буквами обозначают но-минальное значение начальной магнитной проницаемости μн, после цифры буква H указывает низкочастотный диапазон применения, а буква B - высокочастотный; следующие за ними буквы M или H отражают тип феррита (марганец- цинковый или никель- цинковый соответственно); если есть буквы H или C, то они обозначают, что ферриты предназначены для работы в импульсном режиме (И) или сильных полях (C); цифры после букв - номер разработки.
Отечественная промышленность выпускает большое ко-личество марок магнитомягких ферритов, применяемых в раз-личных устройствах электронных средств.
Ферриты общего применения. Эти ферриты используют-ся в качестве сердечников трансформаторов, дросселей, маг-нитных антенн и в других устройствах, где нет особых требо-ваний к температурной и временной стабильности. К этой группе относятся никель-цинковые ферриты марок: 2000НН, 1000НН, 600НН, 400НН, 100НН и другие с fКР от 0,1 до 30 МГц и марганец–цинковые ферриты марок: 3000 НМ, 2000 НМ, 1500 НМ, 1000НМ с fКР от 0,1 до 0,6 МГц.
Термостабильные ферриты применяются в устройствах, к которым предъявляются повышенные требования по темпе-ратурной стабильности. Общим признаком этих ферритов яв-ляется малое значение относительного коэффициента началь-ной магнитной проницаемости в широком интервале темпера-тур ((1-10)∙10-6 К-1) и достаточно низкие магнитные потери. К этой группе относятся никель-цинковые ферриты марок 150ВН, 100ВН, 50ВН, 30ВН, 20ВН ,7ВН (fКР = 5 - 200 МГц) и марганец-цинковые ферриты марок 2000НМЗ, 1500НМЗ, 1000НМЗ, 700НМЗ и другие (fКР = 0,5 - 5 МГц). Для повыше-ния температурной и временной стабильности изделий приме-няют сердечники с разомкнутой магнитной цепью (например, броневые сердечники).
Высокопроницаемые ферриты. В эту группу входят мар-ганцево-цинковые ферриты марок: 20000НМ, 10000НМ, 6000НМ, 4000НМ (fКР = 0,005 - 0,1МГц). Эти ферриты предна-значены для использования в качестве сердечников трансфор-маторов и других устройств, в которых они могут заменять сердечники из тонкокатаного пермаллоя. Но замена целесооб-разна для устройств, работающих при малых индукциях.
Ферриты для телевизионной техники включают в себя Mn-Zn ферриты марок 2500НМС1 и 3000НМС (fКР = 0,36-0,4 МГц). Эти ферриты используются в качестве сердечников вы-ходных трансформаторов строчной разведки. Для создания вы-сокого напряжения в электронно-лучевой трубке при малых затратах мощности сердечники должны обладать максималь-ным значением магнитной проницаемости и минимальным значением потерь в сильных магнитных полях. Для систем ди-намического сведения лучей в телевизионных приемниках применяют феррит 2000НМ.
Ферриты для импульсных трансформаторов предназна-чены для работы в импульсных режимах намагничивания. Они включают в себя Ni-Zn ферриты марок: 1100ННИ, 1000 ННИ, 450ННИ, 350ННИ, 300ННИ (fКР =0,4-2МГц) и Мц-Zn феррит марки 1100 НМИ (fКР = 0,3 МГц). Основными характеристика-ми этих ферритов являются импульсная магнитная проницае-мость μи=Ви ∕μоНи и её температурная стабильность.
Ферриты для перестраиваемых контуров изготавливают из высокочастотных никель-цинковых ферритов марок 10ВНП, 35ВНП, 60ВНП, 90ВНП, 150ВНП, 200ВНП, 300ВНП (fКР = 250 - 6МГц). Эти ферриты предназначены для использования в катушках индуктивности с перестраиваемой индуктивностью (ферровариометрах). Характерными параметрами этих ферри-тов являются коэффициент перестройки по частоте (где обр обратимая магнитная проницае-мость) и коэффициент амплитудной нестабильности αн = (μнм2 - μнм1)/μнм1(Нm2 - Нm1) (где μнm2, μнm1 - магнитная проницаемость при напряженностях переменного поля Нm2, Нm1 соответст-венно).
Ферриты для широкополосных трансформаторов пред-ставляют собой никель-цинковые ферриты марок: 50ВНС, 90ВНС, 200ВНС, 300ВНС (fКР = 80 - 8МГц). Эти ферриты ис-пользуются в качестве сердечников мощных согласующих трансформаторов радиопередающей аппаратуры. Они облада-ют пониженными значениями тангенса угла магнитных по-терь в слабых и сильных полях и высокой температурой Кюри (480 – 250 оС).
Ферриты для магнитных головок включают в себя ни-кель-цинковые ферриты марок: 500НТ, 1000НТ, 2000НТ (fКР = 2 - 0,1 МГц) и марганец- цинковые ферриты марок 500МТ, 1000МТ, 2000МТ, 5000МТ (fКР = 0,2 МГц). Эти ферриты ис-пользуются в качестве материалов магнитных сердечников го-ловок различной конфигурации для записи и воспроизведения звуковой- и видеоинформации. Помимо высоких электромаг-нитных свойств они характеризуются высокой твердостью и износостойкостью.
Ферриты для индуктивных бесконтактных датчиков температуры марок 800НН, 1200НН характеризуются тем, что при воздействии температурных циклов нагрева выше точки Кюри и охлаждения в них не происходит необратимых изме-нений магнитной проницаемости.
Ферриты для магнитных экранов марок 200ВНРП, 800ВНРП (fКР = 5,0 и 0,7 МГц) характеризуются тем, что они обладают высоким значением tgδм в широком диапазоне час-тот.
3.6.2. Магнитодиэлектрики
Магнитодиэлектрики - это материалы, полученные прес-сованием порошкообразного ферромагнетика с изолирующей органической или неорганической связкой. На низких частотах в качестве связки применяется фенольно-формальдегидная смола, а на высоких частотах - полистирол, неорганическое стекло.
Магнитодиэлектрик должен иметь малые динамические потери и достаточно высокую стабильность магнитной прони-цаемости во времени. Суммарные потери мощности определя-ются потерями на гистерезис (Pг), последействие (Рn), вихревые токи (Pв) и диэлектрическими потерями (Pd) в электроизоляци-онной связке
P = Рг + Рn + Pв + Pd. (3.38)
Величина потерь магнитодиэлектрика в значительной мере зависит от размеров частиц порошка ферромагнетика и характера изоляции между зернами. Для уменьшения динами-ческих потерь, особенно обусловленных вихревыми токами, необходимо применять более мелкий порошок ферромагнети-ка.
Магнитодиэлектрики характеризуются относительно не-высокой магнитной проницаемостью (μн = 10 - 250), которая существенно ниже магнитной проницаемости монолитных ферромагнетиков, незначительными потерями на гистере-зис, высоким удельным электрическим сопротивлением (ρ ≈ 109 Ом∙м). Магнитная проницаемость магнитодиэлекриков практически неуправляема внешним магнитным полем, что яв-ляется следствием сильного внутреннего размагничивающего поля, так как магнитный материал разделен на мельчайшие, не соприкасающиеся друг с другом, частицы. Кривая намагничи-вания этих материалов имеет почти линейную зависимость В(Н). Основными достоинствами магнитодиэлектриков явля-ются стабильные параметры при механических и температур-ных воздействиях, а также временная стабильность. Недостат-ком магнитодиэлектриков является сравнительно невысокое значение начальной магнитной проницаемости.
Наибольшее распространение в изделиях РЭС получили магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, частицы которого имеют размеры (от 0,5 до 3,5 мкм) и округлую фор-му, альсифера, пермаллоя и на основе ферритов. Магнитоди-электрики на основе альсифера характеризуются отрицатель-ным температурным коэффициентом магнитной проницаемо-сти αμ. Это позволяет создавать магнитодиэлектрики на основе смеси карбонильного железа и альсифера с необходимой вели-чиной и знаком температурного коэффициента магнитной про-ницаемости.
Магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа отличается высокой стабильностью, малыми потерями, поло-жительным температурным коэффициентом магнитной прони-цаемости и могут быть использованы в широком диапазоне частот.
Маркировка магнитодиэлектриков определяется типом магнитного порошка. Промышленностью выпускаются магни-тодиэлектрики следующих марок:
на основе карбонильного железа – Р-10, Р-20, Р-100 и другие (где число обозначает максимальную частоту в МГц);
на основе альсифера – ВЧ-32, ВЧ-22, ВЧК-22 и другие (ВЧ - высокочастотный, К- материал с компенсированным по-ниженным температурным коэффициентом магнитной прони-цаемости αμ; цифра –значение μн);
на основе пермаллоя – П-250, П- 160, П- 100, ПК- 60, П-20, ПК- 20 и др. (П- пермаллой, К- с компенсированными αμ, число- μн);
на основе магнитного порошка из феррита: НМ-5, ВН -20, ВН-60,ВН- 220 и другие (НМ- низкочастотный на основе Mn-Zn феррита; ВН- высокочастотный на основе Ni-Zn ферри-та; число – предельная рабочая частота в МГц).
В связи с широким выпуском ферритов различных марок, обладающих более высокими электромагнитными свойствами, область применения магнитодиэлектриков сужается. Они на-ходят применение в качестве подстроечных сердечников высо-кочастотных катушек индуктивности; катушек с постоянной индуктивностью, мало зависящей от напряженности поля, час-тоты перемагничивания и температуры; для изготовления маг-нитных экранов.
3.7. Магнитотвердые материалы
Природа высококоэрцитивного состояния и свойства. Магнитотвердыми материалами называют материалы с коэр-цитивной силой по индукции не менее 4 кА/м; площадь петли гистерезиса у них значительно больше, чем в магнитомягких материалах. Чтобы получить высокую коэрцитивную силу в магнитном материале необходимо затруднить процесс пере-магничивания. Процесс трудного перемагничивания создается исключением доменных границ, уменьшая кристаллические зерна до размера однодоменных частиц или затрудняя смеще-ние доменных границ.
В первом случае тем или другим методом получают од-нодоменные частицы с преобладающей анизотропией, распре-деленные с определенной плотностью в немагнитной фазе. Однодоменная структура возникает при очень сильном из-мельчении ферромагнитных образцов, когда размеры частиц становятся меньше определенного для каждого вещества так называемого критического размера (критический размер ко-леблется в пределах от десятых долей до единиц микрометра). Магнитотвердые материалы с однодоменной структурой полу-чают прессованием тонко измельченного магнитного порошка в сильном магнитном поле.
Второй путь создания высококоэрцитивных материалов состоит в получении заведомо неоднородной структуры в ма-териале с заданным распределением различных дефектов (включений немагнитной или слабомагнитной фаз, выделений различных фаз по границам зерен, вакансий, дислокаций). Де-фекты повышают коэрцитивную силу при наличии большой магнитной кристаллографической анизотропии материала, от которой зависит энергия доменных границ и величина потен-циального барьера, преодолеваемого границей при ее переме-щении. Такие материалы с кристаллической текстурой полу-чают на основе сплавов определенного химического состава (например, сплав на основе Fe-Ni-Al) при оптимальной терми-ческой обработке. Высокое значение коэрцитивной силы дос-тигается в сплавах, содержащих кобальт, при охлаждении их в сильном магнитном поле. При этом образуется магнитная тек-стура в виде пластинчатой сильномагнитной фазы, которая ориентируется своими осями легкого намагничивания в на-правлении поля.
По применению магнитотвердые материалы подразделя-ются на материалы для постоянных магнитов и материалы для записи и хранения аудио- и видеоинформации.
Постоянные магниты имеют рабочий воздушный зазор, т. е. магнитная цепь в них разомкнута. Магнитный поток в за-зоре возникает после предварительного намагничивания мате-риала в сильном магнитном поле в процессе изготовления по-стоянного магнита. Свойства магнитотвердого материала ха-рактеризуются кривой размагничивания І (рис. 3.21, а), которая является участком предельной петли гистерезиса. В постоян-ном магните за счет полюсов (рис. 3.21, б) создается внутрен-нее размагничивающее поле Hd, которое уменьшает индукцию внутри магнита до значения Bd.
а) б)
Рис. 3. 21. Схематическое изображение кривой размагни-чивания I и магнитной энергии II в воздушном зазоре (а) по-стоянного магнита (б)
В соответствии с законом полного тока ( Hdl=0), который справедлив для любого контура интегрирования
Hd ld – Ho lo = 0 или Hd ld = Ho lo, (3.39)
где Hd, Ho – напряженность магнитного поля в магнитопроводе и в зазоре соответственно; ld, lo - длина магнита и воздушного зазора.
Важным параметром для постоянных магнитов является максимальная энергия в воздушном зазоре
Эо = ( Во. Но/2) Vо, (3.40)
где Vo = lo. So без учета потока рассеяния в воздушном про-странстве вне зазора.
Пренебрегая потоком рассеяния и учитывая, что линии магнитной индукции непрерывны, запишем
Bo SO = Bd Sd . (3.41)
Из выражений (3.40 – 3.41) следует
Эо = (Bd Hd/2) Vd, (3.42)
где Vd = ld Sd.
Удельная магнитная энергия, отнесенная к единице объ-ема постоянного магнита, равна:
Эd = Эo / Vd = Bd Hd /2. (3. 43)
Удельная магнитная энергия в воздушном зазоре (кривая II на рис. 3.21, а) определяет положение рабочей точки на кри-вой размагничивания (кривая I на рис. 3.21, а). Величина удельной магнитной энергии зависит от размеров магнита и величины зазора. При этом чем меньше длина магнита и боль-ше зазор, тем больше размагничивающее поле полюсов и меньше Вd. В замкнутом магните Bd = Br и энергия равна ну-лю, так как Нd = 0. Если зазор между полюсами очень велик (постоянный магнит в виде стержня в предельном случае), то энергия при этих условиях также стремится к нулю, так как Вd=0, а Н = Нс.
Графически энергию Эd в определенном масштабе можно представить площадью прямоугольника со сторонами Нd, и Вd. Из рис. 3.21, а видно, что максимальная магнитная энергия Эm будет иметь значение при НD, ВD (на рисунке прямоугольник заштрихован):
Эm = ЭD = Вd. Нd/2. (3.44)
Значение максимальной энергии определяет наиболее оптимальное использование постоянного магнита и является важной характеристикой магнитотвердого материала.
Основными параметрами магнитотвердых материалов, которые приводятся в справочной литературе /3/, являются: максимальная удельная мощность Эm, которая находится в пределах 1 – 100 кДж/м3 ; коэрцитивная сила Нс (4 – 500 кА/м); остаточная магнитная индукция Вr (0,17 – 1,25 Тл).
Легированные мартенситные стали. Эти стали явля-ются наиболее дешевыми материалами для изготовления по-стоянных магнитов, однако их остаточные магнитные свойства невысоки. Величина Вd Hd для этих сталей находится в преде-лах 2.103 – 8.103 Тл А/м, что составляет величину удельной магнитной энергии 1 – 4 кДж/м3.
Литые высококоэрцитивные сплавы. Это сплавы на основе системы Аl – Ni – Fe, которые раньше называли альни, имеют Нс на порядок выше, чем в мартенситных сталях – Нс в этих сплавах достигает 40 – 145 кДж/м, а Вr = 0,5 – 1,4 Тл. В системе Al – Ni – Fe одна из фаз, образующаяся в результате распада твердого раствора, по составу близка чистому железу и является сильномагнитной. Эта фаза имеет форму пластинок или стержней однодоменной толщины. Другая фаза состоит из алюминия и никеля и оказывается слабомагнитной; эта фаза препятствует вращению магнитных моментов доменов. При добавлении кобальта, меди, кремния, ниобия, титана (в марках сплавов они обозначаются буквами К, Д, С, Б, Т соответствен-но) в эти сплавы повышаются их магнитные свойства, облегча-ется технология изготовления, улучшается повторяемость па-раметров и повышаются механические характеристики.
Сплав альни с добавкой кремния называют альниси, сплав с кобальтом – альнико, сплав альнико с 24о/о кобальта – магнико. Введение меди в эти сплавы позволяет производить не только обработку шлифовкой и электроискровым методом, но и резанием с помощью победитовых резцов.
Все эти сплавы маркируются начальными буквами и цифрами после легирующих элементов, обозначающих про-центное содержание их. Если в конце марки стоят буквы АА, то это сплав монокристаллической структуры. Например, сплав марки ЮНДК4 помимо определенного содержания алюминия, никеля и железа содержит 4 о/о Cu, сплав ЮНДК24 – 24 о/о Co.
Улучшенные магнитные свойства этих материалов полу-чают специальной термомагнитной обработкой после литья, в результате которой магниты становятся магнитоанизотропны-ми. Применение термомагнитной обработки особенно эффек-тивно для сплавов с большим содержанием кобальта.
Недостатком этих сплавов являются плохие механиче-ские свойства (высокая твердость, хрупкость), что осложняет механическую обработку их.
Магниты из порошков. Кроме литых железо – никель – алюминиевых сплавов применяются магнитные порошки, на основе которых изготавливают постоянные магниты. При этом бывают металлокерамические и металлопластические магни-ты.
Металлокерамические магниты получают методом по-рошковой металлургии из измельченных тонкодисперсных магнитотвердых сплавов. Мелкие детали по такой технологии получаются с высокой точностью и не требуют дальнейшей механической обработки. Промышленность выпускает метал-лопорошковые магнитотвердые материалы марок ММК-1, ММК-6, ММК-11 и др. с Нс от 24 до 128 кА/м и Br от 0.48 до 1,1 Тл.
Металлопластические магниты изготавливают анало-гично деталям из термореактивных пластмасс, наполнителем которых является мелко измельченный порошок магнитотвер-дого сплава, а связкой органические смолы. Эти магниты име-ют меньшее значение коэрцитивной силы на 10 – 15 о/о и оста-точной магнитной индукции на 35 – 50 о/о, но они обладают большим удельным сопротивлением, что позволяет применять их в аппаратуре с наличием переменного магнитного поля.
Металлопорошковые магниты выгодны при массовом ав-томатизированном производстве, сложной конфигурации и не-больших магнитов.
Магнитотвердые ферриты. Наиболее известными маг-нитотвердыми ферритами являются бариевые (BaO.Fe2O3), стронциевые (SrO.Fe2O3) и кобальтовые (CoO.Fe2O3) ферриты. Технология изготовления магнитотвердых ферритов подобна технологии изготовления магнитомягких ферритов.
Бариевые ферриты выпускаются двух видов: изотроп-ные (БИ) и анизотропные (БА). При изготовлении анизотроп-ных ферритов прессование ведется в ориентированном маг-нитном поле. Бариевые ферриты характеризуются высокой стабильностью в отношении воздействия внешних магнитных полей и не боятся тряски и ударов. Удельное электрическое сопротивление бариевых ферритов составляет 104 – 107 Ом/м, т. е. в 106 выше литых металлических магнитотвердых сплавов, поэтому их можно использовать и на высоких частотах. По стоимости они почти в 10 раз дешевле магнитов из ЮНДК24. Недостатком их является низкая механическая прочность, большая хрупкость и сильная зависимость магнитных свойств от температуры; они обнаруживают необратимое изменение магнитных свойств при охлаждении ниже – 60 оС.
Стронциевые ферриты по физическим и магнитным свойствам подобны бариевым ферритам, но они характеризу-ются лучшей технологичностью в изготовлении.
Кобальтовые ферриты отличаются от бариевых более высокой температурной стабильностью, но стоимость их вы-ше.
В табл.3.10 приведены основные магнитные параметры некоторых марок магнитотвердых ферритов. Цифра вначале маркировки обозначает значение максимального энергетиче-ского произведения (BH)max в кДж/м3, цифра в конце марки-ровки – значение Нс по намагниченности. Буквы в середине марки обозначают: БИ – феррит бария изотропный; БА – фер-рит бария анизотропный; РА – смешанный барий – стронцие-вый анизотропный; СА – феррит стронция анизотропный; КА – феррит кобальта анизотропный.
Сплавы на основе редкоземельных элементов. В связи с миниатюризацией радиоэлектронных средств необходимы магнитотвердые материалы с наибольшей коэрцитивной силой и удельной магнитной энергией.
Таблица 3.10
Магнитные свойства некоторых марок
магнитотвердых материалов
Марка Br, Тл Нс, кА/м Эм, кД/м3
Литые высоко-коэрцитивные сплавы
ЮНДК4
ЮНДК24
Магнитотвердые ферриты
4БИ145
7БИ300
19БА260
28СА250
11КА135
14КА135
Соединения на основе редкозе-мельных метал-лов
КС37
КС37А
КСП37
КСП37А
0,5
1,25
0,17
0,20
0,33
0,39
0,24
0,28
0,77
0,82
0,85
0,90
40
40
95
135
225
240
127
127
540
560
520
500
3,6
18,0
2,0
3,5
9,5
