Магнитные материалы

Магнитные материалы

Контрольная работа

“Магнитные материалы”

Содержание

1. Классификация веществ по магнитным свойствам

. Основные свойства и параметры магнитных материалов

. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

Литература

. Классификация веществ по магнитным свойствам

Магнитными называются материалы, которые способны накапливать и хранить магнитную энергию.

Магнетизм атома порождается тремя причинами:

) наличием у электрона спинового магнитного момента (который связан с соответствующим механическим моментом электрона);

) орбитальным движением электрона в атоме (создающим орбитальный магнитный момент), то есть наличием магнитного момента пространственного движения электронного облака вокруг ядра;

) магнитный момент атомного ядра, который создается спиновыми моментами протонов и нейтронов и составляет менее 0,001 от (1), поэтому считают, что элементарными носителями моментов в веществах являются электроны.

Так как магнитные моменты заполненных оболочек = 0, а внешние валентные электроны обобществляются в металле, то магнитные моменты спинов электронов существенны лишь в атомах, имеющих «недостроенные» внутренние электронные оболочки, т.е. в атомах переходных элементов.

Из квантовой теории следует, что результирующий орбитальный магнитный момент, отличный от нуля, может наблюдаться лишь на некруговых орбитах.

Так как магнитные моменты заполненных оболочек равны нулю, а внешние валентные электроны обобществляются в металле, то магнитные моменты спинов электронов существенны лишь в атомах, имеющих «недостроенные» внутренние электронные оболочки, т.е. в атомах переходных элементов.

Из квантовой теории следует, что результирующий орбитальный магнитный момент, отличный от нуля, может наблюдаться лишь на некруговых орбитах.

Орбитальные и спиновые магнитные моменты отдельных электронов складываются в результирующие орбитальные-спиновые моменты атомов. Единица измерения атомных магнитных моментов - магнетон Бора (mВ): mВ = qħ/2m = 9.27·10-24 Дж/Тл, ħ = h/2p, где h = 6,62×10-34 Дж×с - постоянная Планка; q = 1,6×10-19 Кл - заряд электрона; m = 9,1×10-31 кг - масса электрона).

В первом приближении магнитный момент атомов определяется алгебраической суммой спиновых магнитных моментов электронов незаполненной оболочки. (Так, в незаполненном 3d-слое железа вместо 10 имеются только 6 электронов, спины 5 из них параллельны друг другу, а одного - антипараллельно. При этом, результирующий магнитный момент атома Fe должен быть равен 4mВ. В действительности магнитный момент атома железа равен 2,218mВ. Разница обусловлена нарушением ориентации спинов при переходе в твердое состояние, связанным с межатомным взаимодействием и перекрытием электронных уровней атомов).

Если поместить вещество во внешнее магнитное поле, то, взаимодействуя с полем, вещество будет намагничиваться.

Основные магнитные величины:

- Намагниченность М, А/м: , где c - магнитная восприимчивость;  - направление магнитного поля А/м (если магнитное поле создается соленоидом длиной l м, с числом витков N, током I, А, то H = NI/l, A/м).

Магнитная индукция В, Тл, характеризующая суммарное поле внутри материала:

.

(m0 - магнитная постоянная = 4p·10-7 Гн/м, характеризующая магнитную проницаемость вакуума; m - относительная магнитная проницаемость вещества, показывающая, во сколько раз магнитная проницаемость данной среды больше магнитной проницаемости вакуума; mа = m0m - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м).

Все вещества по магнитным свойствам делятся на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики и различаются по величине и знаку магнитной восприимчивости, а также по характеру ее зависимости от температуры и напряженности внешнего магнитного поля.

Диамагнетики - вещества с взаимно скомпенсированными орбитальными и спиновыми магнитными моментами, c » -10-5, m» 0,99999 и не зависит от напряженности магнитного поля. Такие вещества выталкиваются из неоднородного магнитного поля (это водород, инертные газы, азот, хлор, вода, большинство органических соединений и ряд металлов: Cu, Ag, Au, Be, Zn, Cd, Hg, Pb, B, Ga, Sb, и такие вещества как графит, стекло и др.).

Вещества, атомы которых имеют постоянные магнитные моменты, могут быть парамагнитными, антиферромагнитными или ферримагнитными в зависимости от характера взаимодействия между магнитными моментами атомов.

Парамагнетики - вещества со слабым взаимодействием между постоянными магнитными моментами атомов (элементарными магнитными диполями), которые располагаются статистически равновероятно (при обычных температурах) и суммарный магнитный момент равен 0.

При обычных температурах во внешнем магнитном поле такие вещества намагничиваются мало c » 10-5 - 10-2, m » 1,001, не зависит от напряженности магнитного поля. С ростом температуры при постоянной  возрастает дезориентирующая роль теплового движения молекул и намагниченность убывает.

Парамагнетики втягиваются в неоднородное магнитное поле.

Для парамагнитных газов и редкоземельных элементов температурная зависимость c = f(T) (магнитной восприимчивости) характеризуется законом Кюри (установлен экспериментально в 1895 г.)

c = С/Т.

(С - постоянная Кюри, Т - температура, К).

Для переходных парамагнитных металлов, у которых взаимодействием диполей пренебречь нельзя, справедлив более общий закон Кюри-Вейсса

c = С/(Т - D),

(D - постоянная Вейсса ¹ 0 и различна для различных материалов).

Зависимость M = f(H) (намагниченности) для диа- и парамагнетиков при несильных полях и при обычных и высоких температурах имеет вид, приведенный на рис. 1.

Рис. 1

Для намагничивания парамагнетиков до насыщения (когда все элементарные магнитные моменты выстроятся параллельно внешнему магнитному полю) требуется при комнатной температуре поле напряженностью » 1011 А/м, а при Т = 1 К это » 3·105 А/м. Можно более экономично использовать для этого оптическую накачку (намагничивание потоком квантов света).

К парамагнетикам относятся: кислород, окись азота, соли железа, кобальт и никель, щелочные металлы, а также Mg, Ca, Al, Cr, Mo, Mn, Pt, Pd и др.

Ферромагнетики - вещества, в которых взаимодействие магнитных моментов атомов приводит к их параллельной ориентации.

Это в основном кристаллические материалы, у которых c велико (до n×10000 - n×106) и нелинейно зависит от Т и . Они сильно намагничиваются даже в слабых полях при нормальной температуре. При Т > Tк (точка Кюри) для каждого материала, ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное (ТкFe = 1043 К, никеля - 631 К, кобальт - 1404 К), рис. 2.

Рис. 2

Этим веществам характерно наличие гистерезиса - значение индукции В не однозначно определяется величиной магнитного поля Н, и зависит от предшествующего состояния образца.

Гистерезис обусловлен необратимостью процессов намагничивания, что приводит к рассеянию энергии и снижению качества тех намагничивающих устройств, где ферромагниты используются как сердечники (магнитопроводы).

Ферромагнитными свойствами обладают лишь три из восьми элементов группы железа (Fe, Co, Ni), и 6 из 14 лантаноидов (Gd, Tb, Dy, Ho, Er и Tu).

Для объяснения ферромагнитных свойств твердых тел (изучались русским физиком Форингом и французским физиком Вейсе) предполагают, что спонтанная намагниченность обусловлена внутренним молекулярным полем, а внешне такая намагниченность не проявляется потому, что тело разбивается на отдельные макроскопические области - домены, в каждом из которых магнитные моменты атомов располагаются параллельно друг другу, т.е. каждый домен находится в состоянии технического насыщения. Направления магнитных моментов всех доменов равновероятны, внутри образца образуются замкнутые магнитные цепочки, и результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю.

В 1931 году советский ученый Н.С. Акулов (независимо от него Биттер) разработал метод, позволяющий наблюдать границы доменов. Метод состоит в том, что отполированную электролитическим способом (для снятия с поверхности наклепа, искажающего картину доменной структуры) поверхность размагниченного образца покрывают коллоидным раствором тонкого ферромагнитного порошка и наблюдают под микроскопом образующие при этом фигуры (Акулова-Биттерс), являющиеся границами доменов.

Линейные размеры доменов составляют микрометры, иногда десятки микрометров, магнитный момент домена около 1015 магнитных моментов отдельного атома.

На основе квантомеханических представлений Я.И. Френкель и независимо от него В.Гейзенберг установили, что атомный ферромагнитный порядок возникает благодаря электростатической энергии взаимодействия между микрочастицами (протонами, электронами), не имеющей аналога в классической физике.

Энергия электростатического взаимодействия между электронами зависит от взаимной ориентации спинов. Разница в энергии двух электронов в системах с ­­ и ¯­ (антипараллельными) спинами называется обменной энергией, которая является квантовой добавкой к обычному кулоновскому взаимодействию. Энергия обменного взаимодействия пропорциональна интегралу обменной энергии А, знак и величина которого зависит от отношения расстояния между атомами а (параметра решетки) к диаметру незаполненных электронных оболочек d, участвующих в образовании обменной связи.

Из рис. 3 видно, что Fe, Co, Ni, у которых a/d > 1,5 имеют A> 0, необходимое для возникновения самопроизвольной намагниченности. При А < 0 энергетически выгоднее ­¯ расположение спинов у соседних атомов, поэтому Mn, Cr (с А < 0) не обладают ферромагнитными свойствами.

Рис. 3

Антиферромагнетики - вещества с антипараллельной ориентацией магнитных моментов атомов (рис. 4).

Интеграл обменной энергии антиферромагнетиков А < 0 и здесь энергетически выгодно ­¯ расположение соседних спинов и имеет место взаимная компенсация магнитных моментов атомов. Этим веществам характерна специфическая зависимость магнитной восприимчивости.

При Т = 0 К магнитные моменты подрешеток компенсируют друг друга и результирующий магнитный момент равен 0. С повышением температуры ­¯-ое расположение спинов постепенно нарушается и магнитная восприимчивость возрастает, достигая максимума в точке ТН (Л. Нееля - французский физик), в которой упорядоченное расположение спинов полностью нарушается и антиферромагнетик становится парамагнетиком с зависимостью c(Т) идущей по закону Кюри-Вейсса.

Рис. 4

Порядок c » 10-5 - 10-3. Это такие редкоземельные металлы - Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, а также Cr и Mn; многие окислы, хлориды, фториды, сульфиды, карбонаты переходных элементов на основе марганца (MnO, MnCl2, MnF2, MnS2 и др.) и на основе Fe, Co, Ni, Cr и др.

Ферримагнетики - (нескомпенсированные антиферромагнетики) - вещества с антипараллельной ориентацией магнитных моментов атомов различной величины, в результате чего результирующая намагниченность может быть большой.

К ферримагнетикам относятся ферриты - соединения, которые могут иметь различную структуру кристаллической решетки (типа шпинели, граната, каменной соли, гексагональную и др.). Ферриты со структурой типа шпинели представляют собой соединения окиси железа Fe2O3 с окислами др. металлов (структурная формула MeO·Fe2O3, где Me - двухвалентный металл (Fe, Ni, Mn, Co, Cu, Cd, Mg и др.). Применяются однокомпонентные ферриты, в которых ионы двухвалентного металла одинаковы, а также двух- и многокомпонентные.

По значению удельного электрического сопротивления ферриты относятся к классу полупроводников и даже диэлектриков (это оксиды, а не металлы - как металлические ферромагнетики). Поэтому вихревые токи здесь, при воздействии переменных магнитных полей, очень малы и такие материалы применяются на частотах до сотен МГц (а металлические магнитные материалы до нескольких десятков КГц).

Ферримагнетики (рис. 5) отличаются от ферромагнетиков меньшей величиной индукции насыщения и имеют более сложную температурную зависимость М(Т). Упрощенно это можно объяснить наличием в структуре сложного материала двух или более подрешеток, создающих встречные нескомпенсированные магнитные моменты.

а                                    б

Рис. 5

За этой точкой спонтанная намагниченность в образце меняет знак и затем в точке ТН - исчезает. В зависимости от вида ферримагнетика точка компенсации может быть, а может и отсутствовать (см. рис. 5, б).

Из этих рис. 5 ясно, почему имеют пониженную величину намагниченности, а следовательно и индукции насыщения ферримагнетики.

. Основные свойства и параметры магнитных материалов

Основные свойства и параметры магнитных материалов оцениваются и определяются исходя из кривых намагничивания и магнитной проницаемости, которые для ферромагнитного материала имеют вид рис. 6:

Рис. 6

Кривые намагничивания определяют на размагниченных образцах, в которых при отсутствии внешнего поля векторы магнитных моментов расположены равновероятно. (Размагничивать, либо нагревом выше ТК, либо воздействием на материал переменного или коммутируемого постоянного поля с убывающей до нуля амплитудой).

Эта кривая есть геометрическое место точек вершин симметричных петель перемагничивания (она хорошо воспроизводится и используется для определения параметров магнитных материалов).

Магнитная проницаемость характеризует способность вещества изменять свою магнитную индукцию В при воздействии магнитного поля Н. Располагая кривыми намагничивания, магнитную проницаемость можно интерпретировать геометрически в виде:

,

где a - угол наклона секущей ОА к оси абсцисс, mB, mH - масштабы по осям В и Н.

Начальная и максимальная проницаемости являются частными случаями нормальной проницаемости:

,

.

Основная кривая намагничивания и зависимость m(Н) могут быть разделены на 4 области в соответствии с возможным различием процессов намагничивания при увеличении напряженности намагничивающего поля.

В области I выполняется закон Рэлея и называется областью начальной проницаемости (mn определяется практически при Н»0/1 A/м).

В области II - наиболее сильная зависимость В = f(H) и m проходит через максимум - ее называют областью эффекта Баркгаузена (немецкий ученый в 1919 г. наблюдал эффект необратимого смещения границ доменов - скачки намагниченности в ферромагнетике при монотонном увеличении ). Щелчки в микрофоне с петлей вокруг материала при возрастании  - акустический метод Аркадьева В.К. (русский физик).

В области III - происходит вращение вектора намагниченности в направлении Н.

В области IV - В ¹ f(H) - область насыщения.

В технике определяют еще дифференциальную и импульсную магнитную проницаемость

(которая используется при рассмотрении одновременного воздействия на магнитный материал постоянного и переменного магнитных полей (при условии Н~ << Н0), например, в магнитных усилителях, бесконтактных реле и т.д.). Импульсная проницаемость:

,

где DВИ - максимальное изменение магнитной индукции при намагничивании импульсным полем DHИ, которая используется при рассмотрении процессов в импульсных трансформаторах, генераторах импульсов и др.

Зависимость имеет вид (рис. 7).

Магнитные свойства ферро- и ферримагнетиков обычно характеризуют зависимостями магнитной индукции B и намагниченности М (или внутренней магнитной индукцией В = m0М, где m0 - магнитная постоянная m0 = 4p×10-7 Г/м) от напряженности магнитного поля Н, а также зависимостями удельных потерь на перемагничивание p от магнитной индукции В и частоты f.

Рис. 7

Графики зависимости В (или Вi) от Н называют кривыми намагничивания.

При намагничивании предварительно размагниченного образца различают три типа зависимостей:

- начальную (нулевую) кривую намагничивания, которую получают при монотонном увеличении Н;

- безгестерезисную (идеальную), получаемую при одновременном воздействии постоянного и переменного полей с убывающей до нуля амплитудой (рис. 8, кривая а);

Рис. 8

- основную (коммутационную) кривую намагничивания, представляющую собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, получающихся при циклическом перемагничивании (рис. 8, кривая б).

При циклическом намагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса.

При прохождении одного цикла намагничивания получаем незамкнутую петлю, что объясняется различной для характерных точек магнитной историей.

Для получения более определенной установившейся петли гистерезиса при измерениях в цепях постоянного тока производят магнитную подготовку.

График зависимости В = f(Н) при циклическом намагничивании называется петлей гистерезиса магнитного материала. Магнитный гистерезис обусловлен необратимым изменением магнитных свойств ферромагнетика под влиянием тех магнитных процессов, которым он ранее подвергался. Необратимость процессов намагничивания и перемагничивания в основном определяется процессами зарождения «обратных» доменов - так называемых зародышей перемагничивания, а также «задержками» в смещении границ доменов, вызываемыми различного рода искажениями кристаллической решетки ферромагнетика. «Обратные» домены, разрастаясь, путем смещения границ доменов поглощают домены с исходной ориентацией, и при Н = -Нm весь кристалл перемагнитится.

Форма петли гистерезиса для каждого материала зависит от его исходного магнитного состояния, скорости перемагничивания и от максимальных значений Н. Для слабых Н петля гистерезиса имеет вид эллипса. С увеличением поля растет ширина петли и изменяется ее форма, при этом может быть получено семейство симметричных петель гистерезиса при Нm = -Нm. Петля, полученная при условии насыщения, называется предельной, рис. 9.

Рис. 9

При дальнейшем росте Н ширина петли не изменяется и может быть только незначительный рост ее острых «хвостов» - безгистерезисных участков петли (отрезки АВ и А¢В¢ на рис. 9).

При циклическом перемагничивании от Нm до -Нm петля гистерезиса принимает свою окончательную форму после прохождения 5 - 10 переходных циклов. Это обусловлено различием историй каждого из последующих циклов. Описанный процесс называется магнитная подготовка. Совокупность процессов постепенного «приспособления» состояния ферромагнетика к изменившимся внешним условиям называют магнитной аккомодацией, которая включает кроме подготовки и процессы последействия - магнитную вязкость, заключающуюся в отставании во времени изменения магнитных характеристик (, m) от изменений напряженности Н.

Вследствие магнитной вязкости намагниченность образца устанавливается после изменения Н через время от 10 с до десятков минут и более. Это свойство обусловлено наличием вихревых микротоков (в магнитных материалах с большой электропроводностью: Fe, Co, Ni), диффузией атомов примесей задерживающих смещение границ доменов, наличием флуктуаций тепловой энергии (в легированных сталях), диффузией электронов (в ферритах), инерцией электронов при намагничивании путем вращения вектора магнитного момента спина электрона (в тонких ферромагнитных пленках на СВЧ).

По петле магнитного гистерезиса определяются:

. Индукция насыщения Вs (для предельной петли) - максимальная индукция, соответствующая техническому насыщению.

. Остаточная индукция Вr - индукция, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего поля.

. Коэрцитивная сила Нс - напряженность размагничивающего поля которое должно быть приложено к предварительно намагниченному образцу для того, чтобы магнитная индукция в нем стала = 0. (аналогично определяются и параметры намагниченности Ms, Mr, HM, Hc).

. Удельные магнитные потери на гистерезис, за один цикл перемагничивания, определяемые по площади петли гистерезиса.

Потери на гистерезис Pr, Дж/м2, в единице объема вещества (удельные потери) за один цикл перемагничивания определяются:

.

При перемагничивании материала с частотой f мощность потерь на гистерезис на единицу массы определится по формуле:

,

где D - плотность материала, кг/см3.

Наиболее удачная эмпирическая формула Штеймеца для симметричного цикла. Потери на гистерезис:

,

где Вm - максимальная индукция, достигаемая в течение цикла; h - коэффициент, зависящий от материала образца. Для магнитомягких ферромагнетиков при умеренных Вm величина n = 1,6 - 2,0, в области средних Вm n = 3,0 - 3,5, далее с увеличением Вm n уменьшается. Удовлетворительные результаты формула дает при В = 0,25 - 1 Тл.

Потери на гистерезис зависят от ряда факторов: состава и примесей, технологии изготовления (давление, термообработка), температуры и механических напряжений.

. Энергия намагниченного тела. Если учесть кривую размагничивания, магнитной энергии и коэффициент возврата, можем показать, что магнитная энергия единицы объема межполюсного пространства (~H2) пропорциональна ВН, т.е. пропорциональна магнитной энергии единицы объема магнитного материала, и тем больше, чем меньше объем воздушного зазора при данном объеме магнитного образца.

Кроме петли гистерезиса, вершины которой соответствуют основной кривой намагничивания, часто рассматривают так называемые частные петли гистерезиса, вершины которых не лежат на основной кривой (на рис. 10 заштрихованные).

Рис. 10

Большое значение для материалов, применяемых в постоянных магнитах, имеет размагничивающий участок петли гистерезиса - ее часть, заключенная во втором квадранте. (между направлениями осей +В и -Н).

. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

Магнитные материалы делятся на три основные группы: магнитомягкие, магнитотвердые и материалы специального назначения (имеющие узкие области применения).

Магнитомягкие материалы - способны намагничиваться до насыщения в слабых полях с малыми потерями на перемагничивание (Нс 4 кА/м). Они имеют: узкую петлю гистерезиса (малое значение коэрцитивной силы Нс ) и большое значение m; большую индукцию насыщения Вs, (т.е. при заданной площади поперечного сечения магнитопровода должны обеспечивать прохождение максимального потока); минимальные потери мощности при работе в переменных полях, т.к. потери определяют рабочую температуру изделия.

Этим требованиям отвечают материалы, обеспечивающие высокий энергетический КПД и необходимую рабочую индукцию при заданной температуре перегрева, что позволяет уменьшить габариты и массу устройств.

Магнитотвердые материалы - характеризуются удельной магнитной энергией. Основное общее требование - наибольшее значение удельной магнитной энергии Wm или пропорциональной ей - энергетическим произведением (ВН)m.

.

В процессе эксплуатации магнита положение рабочей точки не остается постоянным. Изменение состояния происходит по кривым возврата, представляющими собой частные петли гистерезиса, одна из вершин которых лежит на кривой размагничивания. Поскольку кривые возврата узкие, их заменяют прямыми. Ход прямых возврата оценивается коэффициентом возврата

,

где DB - изменение индукции, соответствующее изменению поля DH. (рис. 11)

Рис. 11

К магнитотвердым материалам относятся: сплавы на основе Fe-Ni-Al и Fe-Ni-Co-Al; легированные Cu, Ti, Nb, и др; пластически деформируемые сплавы и эластичные магниты; сплавы на основе благородных металлов; сплавы на основе редкоземельных металлов; материалы из порошков; постоянные магниты; (металлокерамические, металлопластические, магнитотвердые ферриты, магниты из микропорошков); материалы для магнитных лент и дисков.

К магнитным материалам специального назначения относятся материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), у которых коэффициент прямоугольности a = Br/Bs ³ 0.85. Они применяются в устройствах автоматики, ВТ, в аппаратуре телеграфной связи, многоканальных импульсных системах связи и т. д., в качестве элементов с двумя устойчивыми состояниями, которые характеризуются положительным и отрицательным значениями остаточной индукции +Br и -Br т.е. противоположным направлением намагниченности.

Магнитные материалы с ППГ разделяют на три группы:

. Ферриты; текстурированные ферромагнитные сплавы (применяются в виде лент толщиной от 0,5 мм до n×0,1...1×n мкм) и тонкие ферромагнитные пленки. магнитный материал электрон

Наибольшее применение имеют ферриты с ППГ со структурой шпинели магний-марганцевой системы MgO·MnO·Fe2O3, а также магний-марганцевые содержащие примеси окисей Zn и Ca.

. Магнитострикционные материалы - изменяющие размеры ферромагнитных тел при их намагничивании и размагничивании (и обратный эффект - если намагниченный ферромагнетик подвергнуть внешнему механическому воздействию вызывающему деформацию, то происходит изменение намагниченности образца). Используются в устройствах генерации и приема звуковых и ультразвуковых колебаний, в акустоэлектронике, гидролокации, для магнитострикционных реле и фильтров, резонаторов, стабилизаторов. Применяются для измерения механических напряжений и деформаций в деталях машин (самолеты, ракеты и др.). В качестве магнитострикционных материалов применяют никель ((Dl/l)×106 = -25), пермаллои (45 % Ni + 55 % Fe, (Dl/l)×106 = +27), никель-кобальтовые сплавы (пермендюры, 49 % Со + 2 % V + 49 % Fe, (Dl/l)×106 = +70), железоалюминиевые сплавы (альферы), ряд сплавов (65К, 65 % Co + 35% Fe, (Dl/l)×106 = + 90), различные ферриты (магнетит FeO·Fe2O3-30, кобальтовый феррит CoO·Fe2O3, (Dl/l)×106 = -200), соединения TbFe2 (поликристалл (Dl/l)×106 = 1200, монокристалл [111] (Dl/l)×106 = 2400).

. Магнитные пленки с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД) - используют отдельные домены в качестве носителя единичной информации. Пленки толщиной 0,1...10 мкм, у которых поле кристаллографической магнитной анизотропии должно быть больше самопроизвольной намагниченности магнитного материала.

Наиболее полно всем требованиям удовлетворяют феррогранаты, в которых одноосная анизотропия возникает при эпитаксиальном выращивании пленок в процессе роста и обусловлено механическими напряжениями, связанными с параметрами подложки. В качестве подложки используется немагнитный газолиний-галиевый гранат (Gd3Ga5O12). Для получения ЦМД используют различные составы феррогранатов, например (SmYTuCa)3(GeFe)5O12; (SmYLuCa)3(GeFe)5O12; (SmTuBiPb)3(GaFe)5O12; (SmY)3(GaFe)5O12 и др. (Мs = 8…40 кА/м - намагниченность насыщения, Æ доменов 1…5 мкм)

Материалы для постоянных магнитов.

. Мартенситные стали. (Мартенсит - вид микроструктуры стали, полученный при закалке. Образование мартенсита сопровождается значительными объемными изменениями, созданием больших внутренних напряжений и возникновением больших значений коэрцитивной силы. Сегодня используются редко из-за низких магнитных свойств. Но они дешевы и поддаются обработке на металлорежущих станках.)

. Пластически деформируемые сплавы. Кунифе (Cu-Ni-Fe), викаллой (Co-V). Сплавы Кунифе анизотропные, намагничиваются в направлении прокатки. Викаллой - применяют для изготовления очень мелких магнитов сложной конфигурации и в качестве высокопрочной ленты и проволоки.

. Сплавы на основе благородных металлов: Ag+Mn+Al (сильманал), 77 % Pt + 22 % Fe и 76 % Pt + 23 % Co - наиболее дороги применяют для сверхминиатюрных магнитов.

. Эластичные магниты - магниты на резиновой основе + порошок феррита Ba.

. Материалы для магнитных лент.

Сплавы на основе редкоземельных металлов. Используются празеодим, кобальт, самарий.

Магнитомягкие материалы делятся на две основные группы, различаемые по величине их удельного электрического сорпротивления. Чем оно больше, тем на более высоких састотах можно использовать материал:

. Магнитомягкие материалы для постоянных и НЧ магнитных полей (к ним относятся магнитные материалы с наибольшей намагниченностью насыщения: железо, железо-кобальтовые сплавы, электротехнические - кремнистые стали, пермаллои, альсифер (AlSiFe), аморфные сплавы /метглассы/).

. Магнитомягкие материалы для ВЧ и СВЧ, к которым относятся ферриты и магнитодиэлектрики.

Величина удельного электрического сопротивления ферритов r в 10.1011 раз выше r железа, т.е. они имеют относительно малые потери энергии на ВЧ и СВЧ. Они используются для сердечников антенных катушек и катушек контуров, для различных приборов СВЧ диапазона, в запоминающих и логических устройствах ЭВМ и др.

Химический состав простых ферритов может быть записан в следующем виде

(Me2K+OK2-)m/2·(Fe23+O32-)n,

где Me - характеризующий металл, k - валентность характеризующего металла, m и n - целые числа.

В состав всех ферритов входят анионы кислорода О2- с ионным радиусом 0,14 нм, образующие остов кристаллической решетки. В промежутках между О2- располагаются катионы трехвалентного железа (с r = 0,067 нм) и катионы характеризующих металлов, которые могут иметь различные r и валентности. Трехвалентные ионы железа могут быть полностью или частично замещены другими трехвалентными ионами, например Al3+, Cr3+ (смешанные ферриты-алюминаты или ферриты-хроматы).

Кристаллическая структура ферритов подобна структуре природных минералов. По свойствам применения ферриты можно разделить на: ферриты для радиочастот; ферриты для СВЧ.

К первым относятся никель-цинковые и марганец-цинковые двухкомпонентные ферриты (NiO-ZnO- Fe2O3; MnO·ZnO-Fe2O3), а также литий-цинковые, свинцово-никилевые и др. Такие ферриты работают в слабых и средних полях, т.к. имеют относительно низкую индукцию насыщения (0,15...0,7 Тл). Для них tgdфер = =0,005...0,1. Определяет также относительное значение tgd/mн. При повышении частоты tgd, начиная с некоторой частоты, значительно возрастает и одновременно уменьшается m, что обусловлено главным образом релаксационными, а иногда и резонансными явлениями. Уменьшение m и возрастание tgd вне области резонанса может быть связано с инерционностью доменов и размагничивающим действием вихревых токов.

Типичные зависимости начальной магнитной проницаемости (сплошные) и tgd (штриховые) от частоты для ферритов с различными mn приведены на рис. 12.

Рис. 12

Критическая частота fкр - частота магнитного поля, при которой tgd = 0,1 для НЧ (марганцево-цинковых и никель-цинковых) fкр = 0,01..30 МГц, а для ВЧ (никель-цинковых) fкр = 25...250 МГц. Установлено, что чем выше mн, тем меньше fкр. В некоторых случаях fкр определяют при tgd = 0,02.

Значительно изменяется m ферритов и при изменении температуры, так как они имеют относительно низкую точку Кюри (Тк< 373 К). Относительный температурный коэффициент магнитной проницаемости уменьшают добавками некоторых веществ (CoO).

Кроме этих параметров, для ряда ферритов используют относительный коэффициент дезаккомодации (спада) начальной проницаемости, характеризующий изменение mн во времени, коэффициент потерь, особенно коэффициент потерь на гистерезисе dr, характеризующий нелинейные процессы. На рис. 13 приведены значения m и Df для ферритов различного состава.

Рис. 13

Откуда следует, что для ВЧ диапазона радиочастот используют ферриты с m = n×10.

Основные физические характеристики ферритов: плотность (3,5..5)·103 кг/м3, удельная теплоемкость около 0,7 КДж/(кг×К), теплопроводность ≈ 5 Вт/(м×К), ТКЛР » 10-5×К-1.

Маркировка ферритов: первая цифра - значение начальной магнитной проницаемости; затем буквы обозначающие частотный диапазон применения, ограничиваемый сверху значением fкр. Ферриты для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот обозначаются Н (НЧ), ВЧ ферриты обозначаются буквой В. Далее в маркировке магнитомягких ферритов следуют буквы, обозначающие состав: М - марганец-цинковый; Н - никель-цинковый. Свойства некоторых ферритов даны в таблице 1.

Индукция Bs измерена в поле 400…600 кА/м, значение Hc измерено при напряженности поля в тороидальном образце H = =4кА/м, m′ - при частоте f = 1,1 МГц, tg d при f = 3,0 ГГц, все при Т= 293 К

ВЧ ферриты работают только в слабых полях, т.к. превышение Нпор и последующего его снятия материал переходит в состояние с низкой добротностью. Возврат материала в исходное состояние возможно только нагревом выше точки Кюри. Ферриты этой группы используют для изготовления сердечников различной конфигурации и размеров для трансформаторов и роторов ВЧ-микродвигателей, деталей отклоняющих систем ТВ аппаратуры.

Таблица 1.

Наиболее широко применяются кольцевые, броневые, стержневые (с круглым и прямоугольным сечением) Ш и П-образные сердечники.

Свойства ферритов зависят от механических напряжений, которые могут возникнуть при креплении изделий.

Ферриты имеют m меньше чем m металлических магнитных материалов, с целью повышения m исследуются возможности уменьшения кристаллографической магнитной анизотропии и магнитострикции, а также увеличение самопроизвольной намагниченности.

В технике СВЧ (от 300 МГц до 300 ГГц, т.е. от 1 м до 1 мм) ферриты изменяя свои параметры под действием поля, позволяют создавать вентили, циркуляторы, фазовращатели, фильтры, модуляторы, умножители частоты и др. Используется зависимость m, а следовательно скорости и затухания, от характера поляризации ЭМП, направления распространения и намагниченности. Действие большинства устройств на ферритах основано на использовании магнитооптического эффекта Фарадея, эффекта ферромагнитного резонанса и изменения значения m феррита СВЧ при воздействии на него внешнего магнитного поля.

Из новых областей применения СВЧ ферритов следует назвать квантовую электронику. Здесь использование прозрачных для оптического диапазона ЭМВ феррогранатов в качестве рабочей среды для создания лазеров позволило разработать принципиально новые устройства, в которых управление частотой и поляризацией лазерного излучения производится путем воздействия внешним магнитным полем непосредственно на рабочее вещество лазера.

Среди параметров Тк и mн, r - для СВЧ ферритов указывают намагниченность насыщения bs, диэлектрическую проницаемость, tgdS, ширину линии гиромагнитного резонанса DH и ряд других параметров.

Ферриты СВЧ должны отвечать ряду специфических требований, основные из которых - высокая активность материала к управляющему полю (возможность управления относительно слабым полем); высокое r » 105...1011 Ом×м и, возможно меньшее значение tgd (10-4...10-3), а также магнитных потерь вне области резонанса, что обеспечивает малое затухание в феррите; узкая кривая ферромагнитного резонанса (DH до 1 кА/м), температурная стабильность свойств и более высокое значение точки Кюри.

Для таких материалов используют ферриты на основе магния (Mg-Mn - шпинель) для средней части сантиметрового диапазона, магниевые ферроалюминаты (Mg-Al - шпинель) и феррохромиты (Mg-Cr - шпинель) для длинноволновой части сантиметрового диапазона.

Используют иттриевые феррогранаты (Y-Fe - гранат) с частичным замещением иттрия и железа другими ионами. Они характеризуются малыми магнитными и диэлектрическими потерями. А введение сюда ионов алюминия ведет к снижению намагниченности насыщения, ширины линии ферромагнитного резонанса и точки Кюри.

Феррогранаты при тщательно полированных сферах дают ширину линии ферромагнитного резонанса в несколько десятков ампер на метр.

Такие элементы из ферритовых материалов используются в ГИС и ИС устройствах СВЧ в виде пленок, дисков, сфер, а также ферриты могут быть диэлектрическими подложками ГИС.

Для магнитооптических устройств, основанных на эффекте Фарадея, используют кристаллы феррита со структурой граната и ортоферриты, обладающие высокой магнитооптической добротностью Q и малой намагниченностью насыщения. Качества последних могут быть улучшены введением в феррогранат ионов галлия (что уменьшает управляющую мощность), либо введением в феррогранат иттрия добавок висмута (приводит к увеличению магнитооптической добротности в видимой части спектра почти в 10 раз).

Для устройств видимого диапазона используют ортоферриты (слабые ферромагнетики с высокой магнитооптической добротностью Q и с малой намагниченностью насыщения), недостатком которых является естественное двупреломление (ухудшаются характеристики устройств, если направление намагниченности не совпадает с оптической осью кристалла).

Разрабатываются и оптические ИС методами интегральной оптики в виде пленочных или волоконных волноводов, в которых пленка или подложка, волокно или его оболочка выполнена из магнитооптического материала.

Литература

Дриц М. Е., Москалев М. А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 2010. - 447 с.

Металловедение и технология металлов: Учеб. для вузов. / Солнцев Ю. П., Веселов В. А., Демянцевич В. П. и др. / Под ред. Ю. П. Солнцева. - М.: Металлургия, 2008. - 512 с.

Технология конструкционных материалов: Учеб. для вузов. / А. М. Дальский, В. С. Гаврилюк, Л. Н. Бухаркин и др. / Под общ. ред. А. М. Дальского. - 2-е изд., перераб. и доп. / М.: Машиностроение, 2000. - 352 с.

Технология металлов и материаловедение: Учеб. для вузов / Кнорозов Б. В., Усова Л. Ф., Третьяков А. В. и др. / Под. ред. Л. Ф. Усовой. - М.: Металлургия, 2007. - 800 с.

Технология обработки конструкционных материалов: Учеб. для вузов / П. Г. Петруха, А. И. Марков, П. Д. Беспахотный и др. / Под ред. П. Г. Петрухи. - М.: Высш. шк., 1991. - 512 с.

Технология электрической сварки металлов и сплавов: / Под ред. акад. Б. Е. Патона. - М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.

Хренов К. К. Сварка, резка и пайка металлов: Изд. 4-е, стереотип. - М.: Машиностроение, 1973. - 408 с.