26. Магнитные материалы с ппг

• Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) находят широкое применение в устройствах автоматики, вычислительной техники, запоминающих устройствах, многоканальных импульсных системах радиосвязи и т. п.

Степень прямоугольности петли гистерезиса характеризуется коэффициентом прямоугольности (3.15).

(3.15)

где B_r – остаточная магнитная индукция, соответствующая максимальному значению индукции B_max (чаще всего B_max определяют для намагниченного поля с напряженностью H_max=5H_c, что близко к предельным характеристикам).

В идеальном случае α=1, на практике же коэффициент прямоугольности зависит от многих параметров, и хотя в некоторых случаях приближается к единице (α ≈ 0.96), все же ей не равен. Вследствие этого, установлен норматив, по которому петлю гистерезиса допустимо считать прямоугольной (α ≥ 0.85).

Сердечник из материала с ППГ имеет два устойчивых магнитных состояния, соответствующих положительному и отрицательному значениям остаточной магнитной индукции, в связи с чем, широко применяется, как магнитный элемент обработки и хранения и двоичной информации.

Переключение сердечников с ППГ из одного состояния в другое возможно осуществлять двумя способами: путем перемагничивания импульсами тока, создающими поля, значительно превосходящие коэрцитивную силу, или совпадающими по времени несколькими токовыми импульсами, каждый из которых не может заметно изменить состояние сердечника, а их суммарное поле превосходит коэрцитивную силу (рис. 3.6, a).

Первый способ переключения сердечников используется главным образом в устройствах переработки и передачи информации, второй – в устройствах хранения дискретной информации (запоминающих устройствах). Причем системы хранения информации, реализованные на базе магнитных элементов с ППГ, по надежности и долговечности значительно превосходят большинство известных полупроводниковых или ламповых устройств.

Материалы с ППГ можно подразделить на три основные группы: ферриты; текстурированные ферромагнитные сплавы, применяемые в виде лент толщиной от 0.5 мм до единиц микрометров и тонкие ферромагнитные пленки.

Благодаря наличию спонтанной прямоугольной петли гистерезиса у ферритов, данный класс материалов является наиболее распространенным. Технологический процесс производства ферритовых сердечников значительно проще, чем процесс изготовления сердечников ленточного типа из сплава тонкого и сверхтонкого проката. Однако, последние выгодно отличаются от ферритовых сердечников температурной стабильностью и лучшими магнитными свойствами.

Для определения требований, предъявляемых к материалам с ППГ, рассмотрим процессы изменения магнитного состояния кольцевого сердечника, на который намотаны три обмотки, как показано на рис. 3.6, а.

Рис. 3.6. К пояснению свойств магнитных материалов с ППГ

Пусть состояние, при котором B = +B_r соответствует состоянию логической единицы, а при котором B = -B_r – состоянию логического нуля. За исходное примем состояние логической единицы.

Если на одну из обмоток, например на W1, подать положительный импульс тока, то магнитное состояние изменится от +B_r до +B_max. Для материала с α < 1 этот процесс будет сопровождаться возникновением ЭДС в других обмотках. Так в обмотке W3 возникнет ЭДС:

где ∆Ф₁ – изменение магнитного потока, ∆t₁ – время изменения магнитного потока.

ЭДС ℰ₁ технически представляет собой помеху, так как в случае петли гистерезиса с идеальной прямоугольностью (α = 1) она равна нулю. Следовательно, для материалов с ППГ желательно иметь коэффициент прямоугольности максимально близкий к единице.

Если на одну из обмоток, например W2, подать отрицательный импульс тока, то сердечник перемагнитится из состояния «1» в состояние «0» и в обмотке W3 возникает полезный сигнал считывания единицы в виде ЭДС:

где τ – время перемагничивания, т. е. время необходимое для переключения сердечника из одного состояния остаточной индукции в противоположное (τ должно быть малым).

Уменьшение τ помимо пропорционального увеличения быстродействия устройства, вызывает так же возрастание выходного сигнала, снимаемого с элемента (обычно, в устройствах автоматики и вычислительной техники τ представляет собой значение от единиц, до долей микросекунд).

Для обеспечения быстродействия сердечников с ППГ, они должны иметь малое значение коэффициента переключения S_w, под которым понимают приведенный действующий заряд (импульс магнитного поля), необходимый для полного переключения сердечника, т. е. для перемагничивания из состояния остаточной индукции в противоположное состояние максимальной индукции за время τ.

Коэффициент переключения S_w зависит только от свойств материала сердечника и его геометрии и в определенных пределах не зависит от характера переключения. Коэффициент переключения выражают обычно в единицах [А·с/м] или [А·мкс/м]. К примеру, для ферритов различных марок коэффициент S_w принимает значения 28–54 А·мкс/м.

При работе сердечника с ППГ в режиме совпадения двух или нескольких токовых импульсов важным параметром является квадратность петли гистерезиса. Обычно для характеристики данного параметра используют отношение поля трогания H_Т к коэрцитивной силе (3.16), причем за H_Т принимают значение поля, приводящее к уменьшению остаточной индукции B_r на 10 % (рис. 3.6, б).

(3.16)

где H_Т – поле трогания.