Ферриты

Як уже відзначалося вище, ферриты є оксидные магнітні матеріали, які мають спонтанна намагниченность доменів обумовлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.

Велике удільне опір, що перевищує удільне опір заліза удесятеро 3 -10 13 раз, отже, і щодо незначні втрати енергії у сфері повышеных і високих частот поруч із досить високими магнітними властивостями забезпечують ферритам широке використання у радіоелектроніки.

Высокопроницаемые ферриты. Як магнитомягких матеріалів найширше застосовують никель-цинковые і марганец-цинковые ферриты. Вони кристалізуються у структурі шпінелі і є тверді розчини заміщення, освічені двома простими ферритами, одна з яких (NiFe 2 O 4 чи MnFe2O4) є ферримагнетиком, а інший (ZnFe 2 O 4 ) - немагнитен. Основні закономірності зміни магнітних властивостей від складу у таких системах представлені на мал.2 і трьох. Щоб пояснити спостережувані закономірності, необхідно ухвалити до уваги, що катиони цинку у структурі шпінелі завжди займають тетраэдрические кисневі междуузлия, а катиони трехвалентного заліза можуть бути як і тетра-, і у октаэдрических проміжках. Склад твердого розчину з урахуванням розподілу катионів по кисневим междуузлиям можна охарактеризувати наступній формулою:

(Zn 2+ x Fe 3+ 1-x )[Ni 2+ 1-x Fe 3+ 1+x ]O 4

де стрілки умовно вказують напрям магнітних моментів іонів у подрешетках. Звідси видно, що входження цинку в кристалічну грати супроводжується витісненням заліза в октаэдрические позиції. Відповідно зменшується намагниченность тетраэдрической (А) подрешетки і знижується ступінь компенсації магнітних моментів катионів, що у різних подрешетках (Проте й У). Через війну постає дуже цікаве ефект: збільшення концентрації немагнитного компонента призводить до збільшення намагниченности насичення (отже, і У s ) твердого розчину (мал.2). Проте розведення твердого розчину немагнитным ферритом викликає ослаблення основного обмінного взаємодії типу А-О-В, виражену в монотонному зниженні температури Кюрі (Т до ) зі збільшенням мольной частки ZnFe 2 O 4 у складі феррошпинели. Швидкий спад індукції насичення у сфері x > 0,5 пояснюється лише тим, що магнітні моменти невеликої кількості іонів в тетраэдрической подрешетке не може орієнтувати антипараллельно собі магнітні моменти всіх катионів, що у В-подрешетке. Інакше кажучи, обменное взаємодія типу А-О-В стає таким слабким, і що може придушити конкуруюче взаємодія типу В-О-В, яка також є негативним і намагається викликати антипараллельную орієнтацію магнітних моментів катионів в В-подрешетке.

Послаблення обмінного взаємодії між катионами зі збільшенням змісту немагнитного компонента приводить до зменшення констант кристаллографической анизотропии і магнитострикции. Завдяки цьому полегшується перемагничивание ферримагнетика в слабких полях, тобто. зростає початкова магнітна проникність. Наочне уявлення про залежності початковій магнітної проникності від складу твердої фази дає рис.3. Максимальному значенням проникності відповідає точка в трикутнику складів з орієнтовними координатами 50% Fe 2 O 3 , 15% NiO і 35% ZnO. Цією точці відповідає твердий розчин Ni 1-x Zn x Fe 2 O 4 з x » 0,7. З зіставлення мал.2 і трьох можна дійти невтішного висновку, що ферриты із високим початковій магнітної проницаемостью повинні мати невисокою температурою Кюрі. Аналогічні закономірності спостерігаються для марганец-цинковых феритів.

Значення початковій магнітної проникності і коэрцитивной сили визначаються як складом матеріалу, але його структурою. Препятствиями, мешающими вільному переміщенню доменних кордонів при вплив на феррит слабкого магнітного поля, є мікроскопічні пори, включення побічних фаз, ділянки з дефектної кристалічною гратами та інших. Усунення цих структурних бар'єрів, також утрудняють процес намагничивания, дозволяє істотно підвищити магнітну проникність матеріалу. Вплинув на значення початковій магнітної проникності феритів надає розмір кристалічних зерен. Марганец-цинковые ферриты з грубозернистої структурою може бути початковій магнітної проницаемостью до 20000. Це значення близько до початковій магнітної проникності кращих марок пермаллоя.

Магнітні властивості. Для феритів, які у змінних полях, крім початковій магнітної проникності однією з найважливіших характеристик є тангенс кута втрат tg d . Завдяки низькою провідності складова втрат на вихрові струми в феритах практично мала і нею можна знехтувати. У слабких магнітних полях незначними виявляються і на гистерезис. Тому значення tg d в феритах на високих частотах переважно визначається магнітними втратами, обумовленими релаксациооными і резонансними явищами. Для оцінки припустимого частотного діапазону, у якому можна використовувати цей матеріал, вводять поняття критичної частоти f кр . Зазвичай під fкр розуміють таку частоту, коли він tg d сягає значення 0,1.

Инерционность усунення доменних кордонів, виявляються на високих частотах, наводить як до зростання магнітних втрат, до зниження магнітної проникності феритів. Частоту f грн , коли він початкова магнітна проникність зменшується до 0,7 від неї значення постійному магнітному полі, називають граничной . Зазвичай, f кр < f грн . Для порівняльної оцінки якості магнитомягких феритів при заданих значеннях H і f зручною характеристикою є відносний тангенс кута втрат, під яким розуміють ставлення tg d / m зв .

Порівняння магнітних властивостей феритів з однаковим початковій магнітної проницаемостью показує, політика щодо частот до 1 МГц марганец-цинковые ферриты мають істотно менший відносний тангенс кута втрат, ніж никель-цинковые ферриты. Це дуже малими втратами на гистерезис у марганец-цинковых феритів в слабких полях. Додатковим перевагою высокопроницаемых марганец-цинковых феритів є підвищена індукція насичення й вища температура Кюрі. У той самий час никель-цинковые ферриты мають вищим питомим опором і найкращими частотними властивостями.

У феритах, як й у ферромагнетиках, реверсивна магнітна проникність може істотно змінюватися під впливом напруженості постійного подмагничивающего поля, причому у высокопроницаемых феритів ця залежність виражена різкіше, ніж в високочастотних феритів з низькою початковій магнітної проницаемостью.

Магнітні властивості феритів залежить від механічних напруг, що потенційно можуть виникати під час обмотки, кріпленні виробів й на інших причин. Щоб був погіршення магнітних характеристик, ферриты слід оберігати від механічних навантажень.

Електричні властивості . По електричним властивостями ферриты ставляться до класу напівпровідників і навіть діелектриків. Їх електропровідність обумовлена процесами електронного обміну між іонами перемінної валентности("прыжковый" механізм). Электроны, учавствующие в обміні, можна як носії заряду, концентрація яких слабко від температури. Разом про те, у разі підвищення температури експоненціально збільшується ймовірність перескока електронів між іонами перемінної валентності, тобто. зростає рухливість носіїв заряду. Тому температурное зміна удільної провідності і питомої опору феритів з достатньої для практичних цілей точністю можна описати такими формулами:

g = g 0 exp [-Еге 0 /(kT)] ; r = r 0 exp [Еге 0 /(kT)]

де g 0 і r 0 - постійні величини для цього матеріалу; Еге 0 - енергія активації електропровідності.

Серед багатьох чинників, які впливають електричне опір феритів, основним є концентрація у яких іонів двухвалентного заліза Fe 2+ . Під упливом теплового руху слабосвязанные електрони перестрибують від іонів заліза Fe 2+ до ионам Fe 3+ і знижують валентність останніх. Зі збільшенням концентрації двовалентних іонів заліза лінійно зростає провідність матеріалу і водночас зменшується енергія активації Еге 0 . Звідси випливає, що з зближення іонів перемінної валентності знижується висота енергетичних бар'єрів , які мають долати електрони під час переходу від однієї іона до сусіднього. У ферритов-шпинелей енергія активації електропровідності найчастіше у межах від 0,1 до 0,5 эВ. Найбільшою концентрацією іонів двухвалентного заліза і, найменшим питомим опором має магнетит Fe 3 O 4 (феррит заліза), яка має r =5 • 10 -5 Ом • м. У той самий час у феррогранатах концентрація іонів Fe 2+ мізерно мала, тому їх удільне опір може становити високих значень (до 10 9 Ом • м).

Експериментально встановлено, що у ферритах-шпинелях певної кількості іонів двухвалентного заліза призводить до ослаблення анизотропии і магнитострикции; це сприятливо віддзеркалюється в значенні початковій магнітної проникності. Звідси випливає наступна закономірність: ферриты із високим магнітної проницаемостью, зазвичай, мають невисоким питомим опором.

Для феритів характерна щодо велика диэлектрическая проникність, яка від частоти і складу матеріалу. З підвищенням частоти диэлектрическая проникність феритів падає. Так, никель-цинковый феррит з початковій проницаемостью 200 на частоті 1 кГц має e = 400, але в частоті 10 МГц e = 15. Найвище значення e властиво марганец-цинковым ферритам, які мають вона сягає сотень чи тисяч.

Вплинув на поляризаційні властивості феритів надають іони перемінної валентності. Зі збільшенням їх концентрації спостерігається зростання діелектричним проникності матеріалу.

Рубрики: Электродинамика