Феррит – материал, представляющий собой соединение оксида железа и оксидов ферримагнетиков. Он имеет формулу MFe2O4. Это химическое соединение обладает кубической кристаллической решеткой и активно используется в радиоэлектронике, благодаря большому удельному сопротивлению и наличию магнитных свойств.
Основные свойства
Феррит обладает следующими физическими характеристиками:
Одним из основных физических свойств феррита является высокое электрическое сопротивление и магнитная проницаемость, что обуславливает низкие энергетические потери в высокочастотных зонах. Основным фактором, влияющим на этот параметр, является большая концентрация двухвалентных ионов железа. При повышенном количестве частиц Fe2+ увеличивается проводимость железного сплава и понижается его энергия активации. Высокое содержание двухвалентных ионов железа также приводит к снижению зависимости металла от различных свойств среды и состояния намагниченности.
Выделяют следующие механические свойства феррита:
Главными отличительными особенностями феррита являются его магнитные свойства. Они зависят от величины магнитной проницаемости железной модификации и тангенса угла потерь. На эти характеристики оказывают влияние интенсивность резонансных явлений и механические напряжения. Для сохранения магнитных свойств материала нужно ограничить величину физических нагрузок на поверхность металла.
На магнитные свойства феррита воздействуют следующие факторы:
Для большей части железных модификаций характерна нестабильность магнитной проницаемости при длительном хранении металла в теплых или холодных помещениях. Ферриты являются полупроводниками и диэлектриками. Их электрические свойства зависят от процессов ионного обмена и температурного режима. При высоких температурах возрастает подвижность отрицательных зарядов химического соединения, что приводит к изменению электропроводности и удельного сопротивления феррита.Электрические свойства могут также изменяться при разных концентрациях ионов железа.
В процессе теплового движения частицы Fe2+ оказывают влияние на проводимость материала и энергию активации электропроводности. В результате снижается толщина энергетических барьеров, препятствующих перемещению отрицательных частиц из 1 иона в другой.
На многие параметры феррита влияют условия изготовления. Выделяют следующие способы производства этого материала:
Для производства качественного феррита необходимо соблюдать основные условия изготовления и использовать высокоактивные ферритовые соединения или порошки.
Химический состав
Ферриты являются смесью оксидов железа и иных легирующих металлов, включающих в себя медь, цинк, магний, ниобий, кобальт, никель, литий и марганец. Средняя молярная масса вещества зависит от процентного содержания химических элементов в растворе. Она равняется 152 – 160 г/моль. В зависимости от химического состава и структуры выделяют следующие разновидности феррита:
Химический состав феррита определяется эксплуатационными характеристиками материала и сферой его применения.
Классификация ферритов
Ферриты подразделяются на 3 основных класса:
В зависимости от основных параметров металла были созданы марки ферритов:
В соответствии с марками металлов была создана классификация ферритов, демонстрирующая виды применения данной модификации железа:
Отдельные марки ферритов могут применяться для производства определенной аппаратуры. В ионных аккумуляторах может использоваться только феррит цинка, являющийся магнитомягким металлом. Для магнитных головок изготавливают железные сплавы на основе никель-цинковых материалов. При сборке датчиков и специальных детекторов используют ферриты с высокой термочувствительностью. Ферриты, способные работать при импульсном намагничивании, используются во время производства трансформаторов. Модификации железа, имеющие низкие потери при частоте, могут применяться в телевизионных приборах.
В природе существует неметаллический магнитный материал — магнетит (Fe 3 О 4 ), 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).
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
где μ 0 Н — магнитная индукция внешнего магнитного поля (Н — напряженность внешнего магнитного поля); μ 0 — 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
, 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
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
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.
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 μ 0 при Т° = 20° С увеличивается на 20% ( рис. 97, б ). Температурную стабильность ферритов оценивают температурным коэффициентом магнитной проницаемости
(137)
где Δμ 0 — изменение магнитной проницаемости при перепаде температур на ΔТ, °С.
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.
Маркировка размеров кольцевых сердечников. Сначала цифрами указывается величина начальной магнитной проницаемости, затем марка используемого материала, и потом размер кольца в миллиметрах:
1000НМ — до 1 МГц; 1500НМ — до 600 кГц; 2000НМ, 3000НМ — до 450 кГц.
Калькулятор для рассчета начальной магнитной проницаемости ферритовых колец по пробной обмотке.
Пробную обмотку в 5 витков размещать равномерно по кольцу.
При дробных значениях десятичным знаком является точка(13.4 или 6523.23)
Внимание! Действующими витками считаются витки, проходящие сквозь кольцо, т.е. на кольце можно намотать только целое число витков.
Не удивляйтесь полученным результатом. Например, при предполагаемом значении проницаемости 600 можно получить от 400 до 800 такие у нас допуски при производстве ферритов.
Сергей Никольский (RA3ADR)
Варианты выполнения гальванической развязки USB порта. Современные микросхемы для емкостной, оптической и электромагнитной развязки.
Волновое управление, двухфазное и способ регулирования тока в обмотках шаговых двигателей.
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4
Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но и от структуры материала, размера зерен, наличия механических напряжений. Из табл.1 видно, что магнитные свойства даже лучших промышленных разновидностей железа далеки от того, чего можно добиться, используя современные технологические методы получения чистых и однородных по структуре материалов.
Технически чистое железо
Монокристалл чистейшего железа
(«6») Табл.1 Некоторые свойства магнитомягких ферромагнитных материалов.
Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используют довольно редко, в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.
Обычное техническичистое железо изготавливают рафинированием чугуна в мартеновских печах или в конверторах; оно имеет суммарное содержание примесей 0,08-0,1%
Кремнистая электротехническая сталь (по ГОСТу электротехническая тонколистовая) является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали за счет химического связывания кислорода в SiO2. Последний в виде шлака выделяется из расплава. В результате легирование кремнием приводит к увеличению магнитной проницаемости, уменьшению коэрцитивной силы и снижению потерь на гистерезис. Положительное влияние кремния на магнитную проницаемость стали обусловлено также уменьшением констант магнитной анизотропии и магнитострикции. У стали с содержанием кремния 6,8% константа магнитной анизотропии в три раза меньше, чем у чистого железа, а значение магнитострикции практически равно нулю. При таком содержании кремния сталь обладает наибольшей магнитной проницаемостью. Однако промышленные марки электротехнической стали содержат не более 5% кремния. Это объясняется тем, что кремний ухудшает механические свойсва стали, придает ей хрупкость и ломкость. Такая сталь непрригодна для штамповки. Кроме того, при введении кремния несколько уменьшается индукция насыщения (примерно 0,05 Тл на 1% Si), так как кремний является немагнитным компонентом. Вместе с тем легирование кремнием повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.
Свойства стали значительно улучшаются за счет образования магнитной текстуры при холодной прокатке и последующего отжига в водороде.
При холодной прокатке происходит сильное обжатие материала; возникающие деформации вызывают преимущественную переориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре °С не только снимает внутренние механические напряжения, но и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен). Получается так называемая ребровая текстура.
Листы тонкого проката предназначены в основном для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц). Использование листовых и ленточных сердечников на частотах выше 1 кГц возможно лишь при существенном ограничении магнитной индукции, так, чтобы суммарные потери не превышали допустимого предела. По условиям нагрева и теплоотвода предельно допустимыми принято считать удельные потери 20 Вт/кг.
Удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в три раза меньше, чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои. Кроме того, магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты. Это объясняется возникновением в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления.
Диапазон изменения магнитных свойств и удельного сопротивления промышленных марок пермаллоев указан в табл.1. Вследствие различия свойств низконикелевые и высоконикелевые пермаллои имеют несколько различные применения.
Низконикелевые сплавы 45Н и 50Н применяют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.
Сильная зависимость магнитных свойств пермаллоя от механических напряжений вынуждает принимать специальные меры защиты сердечников, поскольку механические нагрузки неизбежно возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно кольцеобразные ленточные сердечники из пермаллоя помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. В целях амортизации динамических нагрузок свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют каким-либо эластичным веществом.
2.2. Магнитомягкие высокочастотные материалы
Под высокочастотными магнитомягкими материалами понимают вещества, которые должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону применения их в свою очередь можно подразделить на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ.
По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитоэлектрики и ферриты. Кроме того, при звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатанные электротехнические стали и пермаллои. Толщина сталей достигает 30-25 мкм, а пермаллой, как мееханически более мягкий сплав, может быть получен толщиной до 2-3 мкм. Основные магнитные свойства таких тонких магнитных материалов близки к свойствам материалов больших толщин, однако они имеют несколько повышенную коэрцитивную силу и высокую стоимость, а технология сборки магнитных цепей из них весьма сложна.
Как отмечалось выше, ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.
Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в раз, а следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышеных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.
(«7») Табл. 2 Группы и марки магнитомягких ферритов.
Рис. 3 Зависимость индукции насыщения (при Е=20°С) и температуры Кюри твердых растворов Ni1-xZnxFe2O4 от состава (температура обжига 1320°С)
Рис.4 Зависимость начальной магнитной проницаемости в системе NiO-ZnO-Fe2O3 от состава (температура обжига 1380°С)
катионов по кислородным междуузлиям можно охарактеризовать следующей формулой:
(Zn2+x Fe3+1-x)[Ni2+1-x Fe3+1+x]O4
где стрелки условно указывают направление магнитных моментов ионов в соответствующих подрешетках. Отсюда видно, что вхождение цинка в кристаллическую решетку сопровождается вытеснением железа в октаэдрические позиции. Соответственно уменьшается намагниченность тетраэдрической (А) подрешетки и снижается степень компенсации магнитных моментов катионов, находящихся в различных подрешетках (А и В). В результате возникает очень интересный эффект: увеличение концентрации немагнитного компонента приводит к увеличению намагниченности насыщения (а следовательно, и Вs) твердого раствора (рис.2). Однако разбавление твердого раствора немагнитным ферритом вызывает ослабление основного обменного взаимодействия типа А-О-В, что выражается в монотонном снижении температуры Кюри (Тк) при увеличении мольной доли ZnFe2O4 в составе феррошпинели. Быстрый спад индукции насыщения в области х > 0,5 объясняется тем, что магнитные моменты небольшого количества ионов в тетраэдрической подрешетке уже не в состоянии ориентировать антипараллельно себе магнитные моменты всех катионов, находящихся в В-подрешетке. Иными словами, обменное взаимодействие типа А-О-В становится настолько слабым, что не может подавить конкурирующее взаимодействие типа В-О-В, которое также является отрицательным и стремится вызвать антипараллельную ориентацию магнитных моментов катионов в В-подрешетке.
Ослабление обменного взаимодействия между катионами при увеличении содержания немагнитного компонента приводит к уменьшению констант кристаллографической анизотропии и магнитострикции. Благодаря этому облегчается перемагничивание ферримагнетика в слабых полях, т. е. возрастает начальная магнитная проницаемость. Наглядное представление о зависимости начальной магнитной проницаемости от состава твердой фазы дает рис.3. Максимальному значению проницаемости отвечает точка в треугольнике составов с ориентировочными координатами 50% Fe2O3, 15% NiO и 35% ZnO. Этой точке соответствует твердый раствор Ni1-xZnxFe2O4 с х»0,7. Из сопоставления рис.2 и 3 можно сделать вывод, что ферриты с высокой начальной магнитной проницаемостью должны обладать невысокой температурой Кюри. Аналогичные закономерности наблюдаются для марганец-цинковых ферритов.
Значения начальной магнитной проницаемости и коэрцитивной силы определяются не только составом материала, но и его структурой. Препятствиями, мешающими свободному перемещению доменных границ при воздействии на феррит слабого магнитного поля, являются микроскопические поры, включения побочных фаз, участки с дефектной кристаллической решеткой и др. Устранение этих структурных барьеров, также затрудняющих процесс намагничивания, позволяет существенно повысить магнитную проницаемость материала. Большое влияние на значение начальной магнитной проницаемости ферритов оказывает размер кристаллических зерен. Марганец-цинковые ферриты с крупнозернистой структурой могут обладать начальной магнитной проницаемостью до 20000. Это значение близко к начальной магнитной проницаемости лучших марок пермаллоя.
Магнитные свойства. Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной магнитной проницаемости одной из важнейших характеристик является тангенс угла потерь tgd. Благодаря низкой проводимости составляющая потерь на вихревые токи в ферритах практически мала и ею можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на гистерезис. Поэтому значение tgd в ферритах на высоких частотах в основном определяется магнитными потерями, обусловленными релаксациооными и резонансными явлениями. Для оценки допустимого частотного диапазона, в котором может использоваться данный материал, вводят понятие критической частоты fкр. Обычно под fкр понимают такую частоту, при которой tgd достигает значения 0,1.
(135)
(137)
Варианты выполнения гальванической развязки USB порта. Современные микросхемы для емкостной, оптической и электромагнитной развязки.
Волновое управление, двухфазное и способ регулирования тока в обмотках шаговых двигателей.
