МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Классификация магнитных материалов

По структуре и способу п о л у ч е н и я магнитные материалы подразделяются на два класса: металлические и ферриты.

Металлические магнитные материалы представляют собой чистые металлы (Fe, Со, Ni), твердые растворы или интерметаллические соединения, относящиеся в большинстве случаев к ферромагнетикам.

Ферриты являются неметаллическими материалами и по магнитным свойствам относятся к ферримагнетикам. Большинство ферритов представляют собой сложные оксиды со структурой шпинели МеО • Fe203 или граната ЗМе203 • 5Fe203, где Me — ион двухвалентного металла (Zn, Cd, Ni, Со, Мп и т. д.). Цинковый феррит ZnO • Fe203 и кадмиевый феррит CdO • Fe203 немагнитны, остальные ферриты — магнетики.

Ферриты, применяемые в технике, представляют собой твердые растворы магнитных и немагнитных ферритов. В качестве немагнитного феррита обычно используют цинковый феррит. Самопроизвольная намагниченность ферритов обусловлена спиновыми магнитными моментами трех- валенгных ионов железа и двухвалентных ионов металла, между которыми существует косвенное обменное взаимодействие через ионы кислорода.

По электрическим свойствам ферриты относятся к полупроводникам (р = 10—1010 Ом • м). Вследствие высокого удельного электросопротивления полностью устраняются потери на вихревые токи при частотах до сотен мегагерц, что определяет их использование в полях высоких и сверхвысоких частот. В полях промышленной (низкой) частоты ферриты не применяют из-за невысоких магнитных свойств.

Ферриты чувствительны к изменению температуры. Чем выше значение начальной магнитной проницаемости феррита, тем ниже точка Кюри. Ферриты имеют большую диэлектрическую проницаемость, зависящую от состава и частоты поля. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость падает.

К достоинствам ферритов (кроме отмеченного высокого удельного электросопротивления) относится высокая технологичность. Изделия можно получать по керамической технологии, благодаря которой им придаются практически любая форма и размеры. Важны также высокая радиационная стойкость ферритов и низкая стоимость. Недостатками являются низкая температурная стабильность свойств из-за невысокой точки Кюри, хрупкость, неудовлетворительная воспроизводимость свойств от партии к партии, низкие влагостойкость (их необходимо дополнительно герметизировать из-за снижения р при увлажнении) и стабильность магнитных свойств во времени (для повышения требуется специальная термообработка).

Чем больше начальная магнитная проницаемость, тем при более низких частотах наблюдается ее снижение, следовательно, феррит может применяться при этих частотах.

В отдельные группы магнитных материалов иногда выделяют композиционные магнитные материалы (магнитодиэлектрики, магнитопластики) и материалы специального назначения (ферриты для СВЧ, термомагнитные материалы, материалы с особой формой петли гистерезиса, например прямоугольной и т. д.).

Среди ферритов для СВЧ особое место занимают железоиттриевые гранаты (ЖИГ) со структурой Y3Fe50i2. Монокристаллические пленки ЖИГ применяют в приборах спин-волновой электроники. В основе работы этих приборов лежит создание и распространение в материале спиновых волн.

Спиновыми называют волны намагниченности в магнитоупорядоченных веществах (ферромагнетиках, антиферромагнетиках и ферримагнетиках), элементарные возбуждения решетки локализованных спиновых магнитных моментов. Соответствующие спиновым волнам квазичастицы называются магнонами.

Характеристики спиновой волны (групповая и фазовая скорости, затухание) определяются обменным и магнитным дипольным взаимодействиями между спинами электронов атомов, входящих в магнитоупорядоченную среду. Если длина волны возмущений сравнима с периодом кристаллической решетки а, то такие волны обусловлены обменным взаимодействием. Если длина волны А. велика (А.» а, волновой вектор к = 2л/А, < 10-4 см-1), то определяющий вклад в характеристики спиновой волны дает магнитное дипольное взаимодействие между спинами.

Коротковолновые спиновые волны называют спиновыми обменными волнами, длинноволновые спиновые волны — магнитостатическими спиновыми волнами (МСВ). Практический интерес в основном представляют волны типа МСВ.

Возбуждение и распространение МСВ в феррите возникает при его намагничивании с помощью внешнего магнитного поля. Магнитостатические спиновые волны перспективны для использования в функциональной электронике в устройствах обработки информации в СВЧ-диапазоне. В СВЧ-устройствах аналоговой обработки сигналов передача и обработка сигналов осуществляется магнитостатическими спиновыми волнами, возбуждаемыми и распространяющимися в ферритовых пленках. В качестве активных элементов в спин-волновых устройствах выступают ферритовые пленки, а в качестве носителя информации — МСВ.

Работа устройств на МСВ основана на распространении медленных дисперсионных спиновых волн СВЧ-диапазона в ферромагнитных материалах с низкими потерями. В состоянии покоя спины выстраиваются в ряд вдоль направления постоянного магнитного поля. При создании управляющего магнитного поля, например с помощью микрополосковой линии, появляется возмущение, которое распространяется в материале в виде МСВ, перенося информационный сигнал. На выходе происходит обратное преобразование магнитного возмущения в ток.

СВЧ-применение ферритовых пленок выдвигает требования к их свойствам, важнейшими из которых являются малые потери на распространение МСВ и однородность параметров. Из известных материалов данным требованиям в наибольшей мере удовлетворяют пленки ЖИГ, обладающего наименьшими магнитными потерями из всех известных магнитных материалов.

В монокристаллических пленках ЖИГ, выращенных на подложках из высококачественных монокристаллов галлий-гадолиниевого граната Gd3GasOi2, МСВ распространяются на частотах СВЧ-диапазона с небольшими потерями на расстояниях, измеряемых несколькими миллиметрами. Частота магнитного поля в монокристаллах ЖИГ изменяется в интервале 10s— 1010 Гц (обычно -10 ГГц) при изменении напряженности магнитного поля от 104 до 106 А/м. Скорости распространения МСВ на 2—4 порядка меньше скорости распространения электромагнитных волн, что позволяет создавать на основе МСВ компактные устройства с использованием технологии СВЧ гибридных и монолитных интегральных схем.

При использовании ЖИГ разработана основная часть управляемых магнитным полем устройств с распространяющимися МСВ (фильтры СВЧ-сигналов, резонаторы на магнитостатических волнах, шумоподави- тели, линии задержки, свертки, генераторы с перестройкой частоты, направленные ответвители, полосковые замедляющие структуры и др.).

Магнитные материалы по свойствам и назначению делятся на два основных класса: магнитно-мягкие, коэрцитивная сила Нс которых меньше 800 А/м, и магнитно-твердые {магнитно-жесткие, или высоко- коэрцитивные), имеющие Нс> 4 кА/м.

Магнитно-мягкие материалы используются для изготовления сердечников трансформаторов, дросселей, реле, магнитных экранов, магнитных элементов микросхем и т. д. Намагничивание происходит в полях малой напряженности.

Материалы должны иметь низкие значения коэрцитивной силы и мощности потерь на гистерезис Ph, высокие значения магнитной проницаемости ц, индукции насыщения Bs, точки Кюри 0С. Последняя определяет температурную стабильность магнитных свойств. Удельное электросопротивление р также должно иметь минимально возможное значение, так как оно определяет низкие потери на вихревые токи.

В полях низкой частоты обычно применяют металлические магнитно- мягкие материалы, а в высокочастотных полях — ферриты.

Магнитно-твердые материалы служат для производства постоянных магнитов. При этом используется магнитная энергия, возникающая между полюсами магнита. Коэрцитивная сила Нс и остаточная индукция Вп определяющие качество постоянных магнитов, должны быть как можно выше. Повышенное значение Я,, достигается в материалах с высокой концентрацией дефектов и внутренних напряжений. Предельным случаем является гетерогенная система, состоящая из смеси немагнитной и магнитной фаз, причем магнитные частицы однодоменны.

Свойства магнитно-твердого материала характеризуются участком размагничивания петли гистерезиса. Постоянный магнит всегда представляет собой разомкнутую магнитную цепь (рис. 12.1), т. е. между полюсами магнита должен быть рабочий воздушный зазор, в котором после предварительного намагничивания материала возникает магнитный поток. Наличие зазора (полюсов магнита) приводит к возникновению внутреннего размагничивающего поля Я(/, уменьшающего индукцию в материале до величины В(,{рис. 12.2). Геометрические размеры зазора определяют положение рабочей точки А на кривой размагничивания и состояние материала.

Кольцевой постоянный магнит с воздушным зазором

Рис. 12.1. Кольцевой постоянный магнит с воздушным зазором: Nu S — северный и южный полюсы магнита

Участок кривой размагничивания /и кривая магнитной энергии II в воздушном зазоре

Рис. 12.2. Участок кривой размагничивания /и кривая магнитной энергии II в воздушном зазоре

Положение точки А на кривой размагничивания зависит от размагничивающего фактора N, определяемого по формуле

где цо — магнитная постоянная, равная 4л: ? 10~7 Гн/м; а — угол, составленный прямой ОА (соединяющей начало координат с рабочей точкой А) и осью ординат.

При этом для рабочей точки, характеризующей магнитное состояние используемого материала,

где 4 — длина зазора (воздушного промежутка между полюсами магнита); Sd — площадь поперечного сечения магнита; Id — длина магнита; So — площадь поперечного сечения воздушного зазора магнита.

Величина N определяется формой магнита: чем больше длина и меньше толщина образца, тем меньше N. Для замкнутого кольцевого образца N= 0; также близко к нулю значение N тонких магнитных пленок.

В процессе эксплуатации магнита положение рабочей точки не остается постоянным. Она может смещаться вдоль кривой размагничивания под действием различных факторов: температуры, искусственного старения при температурном воздействии, внешних полей, механических напряжений, частичного размагничивания магнита и др.

Поле в воздушном зазоре определяется произведением w = ВН/2 (Дж/м3), которое называется удельной магнитной энергией (В и Н — индукция и напряженность магнитного поля соответственно).

В частности, для рабочей точки А (см. рис. 12.2):

Площадь заштрихованного прямоугольника (см. рис. 12.2) пропорциональна магнитной энергии W. При этом максимальная магнитная энергия W0 max в воздушном зазоре магнита равна:

Ва — индукция магнитного поля в зазоре; Н0 — напряженность магнитного поля в зазоре; У0 — объем зазора (У0 = /Д0).

Магнитная энергия также зависит от формы магнита, т. е. от размагничивающего фактора. При изменении N магнитная энергия W изменяется по кривой с максимумом (правая часть рис. 12.2). По этой кривой определяют оптимальную форму магнита, для которой W (и vv) является максимальной (точка D). Таким образом, качество магнитно-твердого материала определяется величиной wmax = BmaxHmax/2, которая тем больше, чем больше значения Нс и Вг (отметим, что Wd = (BdHd/2) Vd, где Vd — объем магнита). В свою очередь, Нс возрастает, если затруднены процессы сдвига доменных стенок и вращения вектора намагниченности, т. е. если в материале высока концентрация дефектов (дислокаций, включений второй фазы и т. д.). Максимального значения Нс достигает в материалах, ферромагнитные частицы которых имеют однодоменное строение и вытянутую форму. Вдоль длинной оси такой частицы ориентировано направление легкого намагничивания. Сами частицы окружены немагнитной или маломагнитной фазой.

Под влиянием внешних воздействий (температуры, вибраций, ударов) и структурных изменений, происходящих с течением времени, возможно изменение свойств магнитно-твердых материалов. Эти изменения могут быть обратимыми (вызываются изменением температуры) или необратимыми (вызываются изменением структуры). Необратимые изменения устранимы повторным циклом термообработки и намагничивания, хотя это бывает затруднительно в случае неразбираемых приборов. Для предотвращения структурных изменений применяют искусственное старение (нагрев на 20—30 °С выше рабочей температуры).

Магнитно-твердые материалы используются в электроизмерительной и радиоэлектронной аппаратуре, в фокусирующих устройствах электронно-лучевых приборов, в устройствах записи и хранения информации и т. д.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >