Ферриты

В автоматике и вычислительной технике находят применение полупроводниковые магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса — ферриты.

В природе существует неметаллический магнитный материал — магнетит (Fe₃О₄), который обладает удельным сопротивлением в сотни тысяч раз большим, чем железо. Однако магнетиту присуще непостоянство магнитной проницаемости во времени. Если один из атомов железа в магнетите заменить атомом меди, магния или каким-либо другим атомом двухвалентного металла, то получится магнитный неметаллический материал — феррит, называемый также оксифером или феррокскубом (последнее название связано с кубическим строением решетки этих материалов).

Промышленное применение находят ферриты, состоящие из нескольких моноферритов, представляющих собой твердые растворы простейших соединений, в том числе и неферромагнитных (цинковые и кадмиевые ферриты).

Свойства ферритов зависят от химического состава, размеров частиц окислов, а также от технологии изготовления.

Ферриты имеют мелкозернистую кристаллическую структуру и очень тверды. Подобно керамике, они поддаются обработке только абразивами и алмазами, шлифуются при помощи карборундового порошка. Если феррит поместить в магнитное поле, то он намагнитится. Магнитная проницаемость μ ферритов очень велика, величина ее сильно меняется в зависимости от степени намагничивания.

Магнитная индукция результирующего магнитного поля равна

В = μ₀Н + В_ф,                           (134)

где μ₀Н — магнитная индукция внешнего магнитного поля (Н — напряженность внешнего магнитного поля); μ₀ — начальная магнитная проницаемость (при Н = 0); В_ф — магнитная индукция, обусловленная ферромагнитными свойствами феррита.

Зависимость магнитной индукции феррита В_ф от напряженности внешнего магнитного поля Н имеет следующую особенность: при циклическом изменении Н, ввиду явления гистерезиса, энергия, затрачиваемая на намагничивание феррита, оказывается больше, чем энергия, отдаваемая ферритом при размагничивании. Разность энергий идет на нагрев феррита. Ферриты имеют узкую и крутую петлю гистерезиса и, следовательно, их можно отнести к материалам с малой коэрцитивной силой. Индукция насыщения не превышает 5000 гс.

На рис. 96 приведен график зависимости магнитной проницаемости ферромагнитного материала μ от напряженности постоянного магнитного поля. У различных ферромагнитных тел максимальные значения μ различны и соответствуют разным значениям магнитного поля. Рис. 96. Зависимость магнитной проницаемости феррита от напряженности магнитного поля.

Основным параметром феррита в переменных магнитных полях является динамическая магнитная проницаемость μ~ =В~/Н~, представляющая собой отношение переменной составляющей магнитной индукции к переменной составляющей напряженности магнитного поля. Установлено, что при малых значениях Н~ и на низких частотах величина μ~ близка к μ₀.

Весьма важным параметром ферритов является также тангенс угла потерь tg δ или величина, обратная ему, — добротность   материала:

                             (135)

где ω — частота, сек-1; r_с — сопротивление потерь ферритового сердечника, ом; L — индуктивность катушки с ферритовым сердечником, гн.

Сопротивление потерь г_с для частот до 100 кгц обычно вычисляется как разность сопротивлений потерь в катушке с сердечником и без сердечника. Сопротивление потерь катушки с сердечником измеряют на переменном токе, а сопротивление потерь катушки — на постоянном токе.

Общие потери в ферритах являются суммой потерь на вихревые токи (токи Фуко), на гистерезис и на последействие:

Р_общ =  Р_ф+Р_г+Р_п

или иначе

tgδ=tgδф+tgδ_г + tg_п.                           (136)

Потери на последействие связаны с изменением магнитного состояния феррита при изменении напряженности магнитного поля. Ферриты обладают большим электрическим сопротивлением, поэтому потерн на токи Фуко малы, а при слабых переменных магнитных полях невелики потери и на гистерезис.

Магнитная проницаемость ферритов зависит от частоты: чем больше ее начальное значение μ0, тем быстрее она падает с увеличением частоты и тем сильнее растет тангенс угла потерь (рис. 97, а). Рис. 97. Характеристики ферритов: а — зависимость динамической магнитной проницаемости и тангенса угла потерь от частоты; б — зависимость начальной магнитной проницаемости от температуры.

С ростом температуры магнитная проницаемость ферритов сначала возрастает, достигает максимума, после чего резко падает и материал теряет ферромагнитные свойства. Максимальной рабочей температурой феррита Т_макс называют температуру, при которой проницаемость μ₀ при Т° = 20° С увеличивается на 20% (рис. 97, б). Температурную стабильность ферритов оценивают температурным коэффициентом магнитной проницаемости

                         (137)

где Δμ₀ — изменение магнитной проницаемости при перепаде температур на ΔТ, °С.

Чем выше рабочая частота, тем меньше Т_макс. Следует заметить также, что с увеличением температуры уменьшается удельное электрическое сопротивление феррита, потери возрастают и он теряет электрические свойства.

Ферриты обладают эффектом магнитострикции: ферромагнитное тело, помещенное в магнитное поле, меняет свои геометрические размеры (прямой эффект магнитострикции). Точно так же механическое сжатие, растяжение или скручивание ферромагнитного тела приводит к изменению его магнитной проницаемости и магнитных свойств (обратный эффект магнитострикции). Магнитострикция у большинства ферритов при комнатной температуре имеет отрицательный знак; она тем больше, чем меньше начальная магнитная проницаемость. Величина магнитострикции зависит от состава феррита; можно получить ферриты с нулевой магнитострикцией.

На сверхвысоких частотах потери в ферритах зависят от величины напряженности магнитного поля, причем эта зависимость имеет резонансный характер, т. е., изменяя величину напряженности магнитного поля, можно получить максимум потерь на заданной частоте.

Если через феррит, помещенный в постоянное магнитное поле, пропустить в направлении поля плоскополяризованную волну, то она распадается на две волны, имеющих круговую поляризацию. Одна из волн оказывается поляризованной в направлении движения по часовой стрелке (правополяризованная волна), другая оказывается поляризованной в противоположном направлении (левополяризованная волна). У электромагнитных воли электрические и магнитные силовые линии взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Плоскостью поляризации волны называют плоскость, перпендикулярную направлению колебаний электрического ноля, проходящую через направление распространения волны. Правополяризованные и левополяризованные волны при выходе из феррита снова образуют плоскополяризованную волну, с плоскостью поляризации, повернутой на некоторый угол относительно плоскости поляризации падающей волны.

Поглощение правополяризованной волны в феррите носит резонансный характер, определяемый напряженностью внешнего подмагничнвающего поля, а поглощение левополяризованной волны, по мере увеличения напряженности этого поля, монотонно возрастает. Способность ферритов поворачивать плоскость поляризации, различное поглощение ими право- и левополяризованных волн и зависимость поглощения от величины подмагничнвающего поля находят широкое практическое применение.

Ферриты, обладая высокими магнитными свойствами, отличаются малой удельной электрической проводимостью. Применение ферритов в качестве магнитопроводов высокочастотных катушек позволило повысить добротность катушек, уменьшить их размеры. Перемещая ферритовый сердечник внутри катушки, удается плавно изменять ее индуктивность. Магнитопроводы для катушек бывают замкнутыми (например, тороиды или горшочки с притертыми плоскостями) и разомкнутые — с зазором.

Замкнутые магнитопроводы имеют высокую магнитную проницаемость, разомкнутые — меньшую магнитную проницаемость, но обеспечивают высокое постоянство проницаемости во времени и малые потери.