Ферриты

Министерство образования  и науки

Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

 

ЗиВФ

 

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники

 

 

 

Электромагнитные поля и  волны

 

Курсовая работа

 

Тема: Ферриты

 

 

 

Выполнил: студентка гр. З-19

Проверил:

 

 

 

 

 

2012

СОДЕРЖАНЕ:

1. Введение…………………………………………………………….. 3
2. Свойства феррита в постоянном магнитном поле………………..4
3. Электрические параметры феррита………………………………..8
4. Продольное распространение в феррите…………………………14
5. Заключение…………………………………………………………..20
6. Список литературы………………………………………………….21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение.

 

Магнитные материалы, как  металлы, так и диэлектрики широко используются в современной технике: в энергетике, системах связи, счетно–решающих устройствах. Особенное место занимают ферриты, которые благодаря своему большому электрическому сопротивлению могут использоваться на очень высоких частотах. Ферритовые сердечники и антенны в радио- и телевизионной аппаратуре, магнитные ленты для магнитофонной записи, разные приборы СВЧ диапазона, запоминающие и логические устройства в ЭВМ – это короткий перечень употреблений магнитных диэлектриков, без которых трудно представить себе существование многих областей современной техники. В промышленности ферриты стали использоваться около полувека назад; они были разработаны как альтернатива металлическим магнитам. Поскольку обеспечивают снижение потерь энергии на перемагничивание, уменьшение вихревых токов и связанных с ними электромагнитных потерь.

Ферритами называют особую группу веществ, которые одновременно  обладают магнитными свойствами ферромагнетиков  и электрическими свойствами диэлектриков (ɛ=5÷20). В отличие от ферромагнитных металлов ферриты имеют весьма малую удельную проводимость (σ=10-4 ÷ 10-6 сим/ м), и электромагнитные волны распространяются в них с небольшим затуханием.

Феррит – магнитные  полупроводники со структурой ионных кристаллов, образованные на основе химического  соединения окиси железа Fe₂O₃ c оксидами других металлов. Существует множество элементов, которые при введении в состав изменяют процессы феритообразования, спекания и рекристаллизации. Ферриты, по сути, являются типичными соединениями переменного состава, который в общем случае можно выразить формулой AB₂O₄±γ, где А, В – любые феритообразующие элементы.

Безусловно, свойства ферритов существенно зависят от содержания входящих в состав основных компонентов, но при этом существенный вклад вносят и условия их получения. Рассматривая ферриты, как фазы переменного состава  следует отметить, что формирование структурно чувствительных свойств  в большой мере зависит от содержания в них O₂, формирующего дефектное состояние. Состав феррита по кислороду можно обеспечить изменением условий обжига, исходя из соотношения Р(O₂)–T.

 

 

2. Свойства феррита в постоянном магнитном поле.

Под действием постоянного  магнитного поля феррит приобретает  анизотропные свойства.  Его магнитная  проницаемость для переменных электромагнитных полей становится тензорной величиной. В связи с этим рассмотрим процессы в намагниченном феррите.

Как известно, электроны в атомах любого вещества обладают та называемым орбитальным и собственным (спиновым) магнитным моментом. Установлено, что свойства ферромагнитных веществ связаны главным образом со спиновым магнитным моментом. На этом основании упрощенную модель атома с некомпенсированным электронным спином можно представить в виде «волчка», обладающего спиновым магнитным моментом и собственным механическим моментом количества движения (появление которого объясняется вращением электрона вокруг собственной оси). Как показывает теория, моменты имеют противоположные направления (рисунок 1.) и связаны между собой соотношением:

                                                                                                (2.1)    

   где - заряд электрона;

             - масса электрона.

Знак минус указывает  на то что механический и магнитный моменты антипараллельны  из-за отрицательного заряда электрона.

                         

 

Рассмотрим поведение  магнитного момента под действием  постоянного магнитного поля.

                                                     Пусть на электрон действует  магнитное                                               постоянное поле,                      (рисунок 1.) 

                                                     Под его действием электрон  приобретает вращающий момент         

                                                                                                        (2.2)

                                                      С другой стороны

                                                                                                    

                                                                                                                      (2.3) 
               Рисунок 1.

 

Подставляя в (2.2)      из (2.3) с учетом (2.1) получим

                                                                                                                (2.4)

Пусть         - произвольно ориентированный вектор (рисунок 1.)

                                                                                                                (2.5)

Тогда уравнение (2.4) можно  заменить тремя скалярными

 

                                                                                                                (2.6)

 

 

 

Совместное решение первых двух уравнений дает

                                                                                                                        (2.7)

 

Так как тангенс угла φ  между осью x и проекцией             равен

 

 

       Из этих рассуждений следует, что вектор       вращается относительно оси z с угловой частотой  

                         частота гиромагнитного резонанса.                         (2.8)

Таким образом, магнитные моменты  атомов начинают прецессировать вокруг него с угловой частотой           Если бы не было затухания, прецессия магнитного момента продолжалась бы бесконечно долго.

За счет тепловых потерь конец   вектора  движется  по   спирали  и   через   очень короткое время                               называемое временем релаксации, все магнитные моменты выстраиваются вдоль поля.

Физическая причина прецессии  заключается в том, что на электрон действует одновременно магнитный  вращательный момент                    связанный с магнитным полем, и механический вращательный момент

 

с полем не связанный.

В отсутствие внешнего магнитного поля вектор намагниченности                                  в однородном кристалле феррита самопроизвольно ориентируется вдоль

 определенных кристаллографических  осей, называемых осями легкого намагничивания (легкими осями). Дня изменения направления   необходимо затратить определенную энергию путем приложения внешнего магнитного поля. Направления, в которых эта энергия максимальна, называется осями трудного намагничивания (трудными осями).

Для образцов конечных размеров, изготовленных из моно- или поликристаллов ферритов, характерна доменная структура. Домен представляет собой макроскопическую область (линейный размер 1…100 мкм), в пределах которой направление     сохраняется неизменным. В отсутствие внешнего поля образец разбивается на большое число доменов, намагниченности которых ориентированы так, что их геометрическая сумма равна нулю. Образец при этом не создает в окружающем пространстве магнитного поля и его состояние называют ненамагниченным. При приложении достаточно большого внешнего поля происходит ориентация намагниченностей всех доменов в направлении поля, в результате чего образец переходит в намагниченное до насыщения состояние.

Процесс намагничивания феррита характеризуется  кривой намагничивания, представляющей собой зависимость величины индукции магнитного поля в феррите Bi от напряженности прикладываемого магнитного поля Hi , (рисунок 2). Вид кривой намагничивания зависит от исходного состояния материала. Кривая, получаемая при исходном ненамагниченном состоянии, называется основной, ее типичный вид представлен на рисунке 2. В области небольших значений Hi ход кривой определяют процессы смещения границ доменов (участок 1), с увеличением Hi происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении поля (участок 2); линейному участку 3 зависимости Bi(Hi) соответствует полное насыщение феррита.

 

 

 

 

 

 

 

                 Рисунок 2                                                         Рисунок 3

Зависимость Bi (Hi) при циклическом перемагничивании называется петлей гистерезиса, характерными параметрами которой являются коэрцитивное поле Hc и остаточная индукция Br (см. рисунок 2). В зависимости от величины Hc различают магнитомягкие (Hc  0) и магнитотвердые (|Hc|>0) материалы. Большинство используемых в настоящее время СВЧ ферритов относятся к магнитомягким материалам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Электрические параметры феррита

Ферриты — это магнитные  материалы, представляющие собой смесь  окислов металлов и обладающие ферромагнетизмом. Магнитомягкие ферриты — это ферриты с коэрцитивной силой по индукции не более 4 кА/м.

Одним из основных достоинств ферритов является высокое удельное электрическое сопротивление в  сочетании с достаточно высоким  значением магнитной проницаемости; индукция насыщения ферритов меньше, чем металлических магнитных  материалов. Особенно выгодно применение их на высоких частотах при малых  индукциях. По электрическим свойствам  ферриты представляют собой полупроводники, проводимость которых возрастает с  повышением температуры. Эффективная  удельная электрическая проводимость ферритов увеличивается с возрастанием частоты. На низких частотах ферриты  обладают высокой относительной  диэлектрической проницаемостью примерно 10⁵. Одновременно высокое значение относительных магнитной μ и диэлектрической ε проницаемостей может приводить к нежелательному объемному резонансу. При объемном резонансе потери резко возрастают, а магнитная проницаемость уменьшается. Для сердечников из марганец-цинковых ферритов с поперечным сечением 1 см² ε≈10⁵ частота объемного резонанса приблизительно равна 1 МГц.

При применении ферритов необходимо учитывать их эксплуатационные характеристики.

Область применения каждой марки феррита определяется критической  частотой, выше которой резко возрастают потери и снижается магнитная проницаемость. Магнитные свойства ферритов резко меняются при одновременном наложении постоянных и переменных полей. Кроме того, после воздействия таких полей имеет место остаточный магнитный эффект, поэтому сердечники не рекомендуется подвергать намагничиванию полями, превышающими рабочие поля.

Механические свойства ферритов подобны свойствам керамических изделий: их режут алмазным инструментом; они хорошо шлифуются и полируются; склеивают их клеем БФ-4. Под воздействием механических нагрузок в сердечниках  возникают механические напряжения, что может разрушить сердечник  или недопустимо изменить его  электромагнитные параметры как  во время действия нагрузки так и после нее. Влияние механических нагрузок на электромагнитные параметры сердечников зависит от направления вектора вызываемых ими механических напряжений относительно направления вектора напряженности рабочего поля.