3.2.5.11 Теорети­ческие основы применения ферритов в устройствах свч.

Как известно, атомы всех веществ состоят из положительнозаряженного ве-

щества и из определенного числа отрицательно заряженных электронов. Каж-

дый электрон вращается по некоторой орбите вокруг ядра, одновременно вращаясь вокруг собственной оси. Поскольку электрон- это заряженная частица, а перемещение заряженной частицы по замкнутой траектории эквивалентно протеканию тока в контуре, то орбиту каждого из электронов можно рассматривать как элементарную рамку с током. Под влиянием тока, протекающего по рамке, в окружающем пространстве возникает постоянное магнитное поле, перпендикулярное плоскости рамки. Этому магнитному полю соответствует орбитальный

магнитный момент электрона, характеризующийся векто-ром (рис. 5.20).

Рис.5.20,а,б

При вращении электрона вокруг своей оси возникает спиновый магнитный момент, характеризующийся вектором (рис.5.20,б).

Поскольку электрон является частицей с определенной массой, он может рассматриваться в первом приближении как волчок (гироскоп) с массойm,вращающийся вокруг центра атома и одновременно вокруг собственной оси. Это обусловливает наличие у электрона орбитального механического момента количества движения ( ) или просто орбитального механического момента и спинового механического момента количества движения ( спинового механического момента ) (рис. 5.20 ).

Полный механический и магнитный моменты есть геометрическая сумма соответственно магнитных и механических спиновых и орбитальных моментов всех электронов в атоме. В свою очередь, полный магнитный и механический моменты молекулы вещества являются геометрической суммой моментов отдельных атомов в молекуле и т. д. Магнитный момент ядра примерно на три порядка меньше магнитного момента электрона, поэтому при дальнейшем рассмотрении свойств ферритов влиянием магнитного момента ядра можно пренебречь.

При анализе состояний электронов в атомах и молекулах можно исходить из фундаментального физического принципа- произвольная физическая система находится в устойчивом во времени состоянии, если она обладает минимумом полной энергии. У большинства атомов минимум полной энергии достигается при антипараллельной ориентации спиновых моментов, т. е. суммарный магнитныймомент этих атомов близок к нулю.Исключение составляют металлы переходных групп( группа железа, палладия, платины и др. ), у которых минимуму полной энергии соостветствует параллельная ориентация спиновых магнитных и механических моментов части электронов. Например, у атома железа на предпоследней оболочке находятся четыре электрона с параллельными спинами, у атома кобальта- три и т.д. В постоянном магнитном поле эти атомы ведут себя подобно стрелке компаса: их магнитные моменты ориентируются параллельно приложенному полю.

Принцип действия ферритовых устройств, работающих в диапазоне СВЧ, основан на взаимодействии магнитного поля электромагнитной волны с некомпенсированными магнитными моментами атомов. Чтобы такое взаимодествие стало возможным, электромагнитная волна должна проникать в вещество, обладающее магнитными свойствами, и распространяться в нем. В проводники электромагнитные волны почти не проникают, поэтому чистое железо не пригодно для использования в подобных устройствах.

Эту трудность можно устранить, если применять обладающие свойствами диэлектриков химические соединения ферромагнитных металлов (обычно железа) с другими элементами. Подобные магнитные диэлектрики, называемые ферритами, имеют достаточно высокое удельное сопротивление – порядка ом см.

Как показали экспериментальные исследования, в ферритах вклад орбитальных моментов в общий момент обычно мал. Поэтому магнитные свойства ферритов определяются в основном взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов отдельных электронов в атоме , взаимной ориентацией спиновых моментов отдельных атомов в молекуле и т.д.

Прецессия магнитного момента. Предположим, что электрон с магнитным моментом и механическим моментом помещен в поле действия внешнего постоянного магнитного поля , направление которого не совпадает с направлением вектора (рис. 5.21). Под влиянием приложенного поля магнитный момент стремится повернуться и установиться параллельно вектору

Рис. 5.21

. Однако наличие механического момента делает электрон подобным гироскопу, ось которого под влиянием действующих сил прецессирует (вращается). Поэтому под воздействием внешнего магнитного поля концы векторов и начинают прецессировать вокруг вектора . Траектория движения концов этих векторов изображена на рис. 5.21 сплошной линией.Конец вектора описывает окружность, вращаясь по часовой стрелке, если смотреть вдоль вектора . Частота свободной прецессии тем выше, чем больше напряженность внешнего магнитного поля. В реальных ферромагнитных средах всегда имеют место потери, поэтому конец вектора двигается по свертывающейся спирали, как показано пунктиром на рис. 5.21. Через время порядка 10^-8 сек прецессия практически поностью прекращается, и вектор устанавливается параллельно векто . При определенной напряженности внешнего магнитного поля, зависящей от состава феррита, его формы и некоторых других факторов, все нескомпенсированные магнитные моменты ориентируются параллельно друг другу и приложенному полю. В результате вектор магнитного момента единицы объема феррита, равный произведению на числоN упорядоченных магнитных моментов в единице объема, устанановится параллельно вектору .

Явление ферромагнитного резонанса. Предположим, что в намагниченной полем ферриторвой среде распространяется электромагнитная волна с произвольно ориентированным вектором напряженности магнитного поля . Результирующее магнитное поле, действующее на магнитные моменты, является суперпозицией постоянного поля и поля волны. В отличие от случая, рассмотренного в предыдущем разделе, ориентация в пространстве вектора магнитного поля не остается постоянной, ибо величина вектора меняется по гармоническому закону. Изменение ориентации магнитного поля вызывает прецессию магнитных моментов, которая уже не будет затухающей, так как отсутствует какое- либо определенное направление внешнего магнитного поля, параллельно которому могли бы установиться магнитные моменты. Возникает так называемая вынужденная прецессия, частота которой совпадает с частотой электромагнитной волны. Если амплитуда магнитного поля волны мала по сравнению с амплитудой постоянного поля , то отклонения вектора от оси Z незначительны. Соответственно невелики и отклонения вектора от оси Z.

Предположим, что в феррите распространяется электромагнитная волна, у которой вектор магнитного поля поляризован по кругу в плоскости, перпендикулярной вектору , т.е. в плоскости XY.Обозначим через вектор, вращающийся по часовой стрелке, если смотреть вдоль направления постоянного магнитного поля , а вектор противоположного вращения - через Поскольку только потери препятствуют свободной прецессии магнитного момента с частотой , то достаточно передавать прецессирующим электронам энергию, равную теряемой ими, чтобы прецессия стала незатухающей.Роль такого источника, компенсирующего потери и поддерживающего свободную прецессию, может выполнять электромагнитная волна с круговой поляризацией магнитного поля, если направление и частота вращения вектора магнитного поля совпадают с направлением и частотой свободной прецессии. Так как при свободной прецессии конец вектора вращается по часовой стрелке, то такой волной является волна, у которой вектор магнитного поля имеет круговую поляризацию на частоте При этом амплитуда прецессии будет расти (см. рис. 5.22,а), что сопровождается поглощением энергии электромагнитной волны. Если частотаэлектромагнитной волны с поляризацией отличается от , то магнитное поле волны препятствует стремлению магнитного момента прецессировать с частотой , что уменьшает амплитуду прецессии по сравнению со случаем, когда и наблюдается максимальное поглощение энергии электромагнитной волны с поляризацией . Явление резкого поглощения электромагнитной волны получило название ферромагнитного резонанса. Частоту , на которой это поглощение происходит, назы

Рис. 5.22,а,б

вают частотой ферромагнитного резонанса.

Если направление вращения магнитного вектора электромагнитного поля противоположно, то в независимости от его частоты и напряженности внешнего постоянного магнитного поля амплитуда прецессии мала и,соответственно, мало по-

глощение этой волны в феррите. Таким образом, ферритовая среда, подмагниченная постоянным магнитным полем,по отношению к распространяюшемуся в ней электромагнитному полю ведет себя по разному и характеризуется разными значениями относительной магнитной проницаемости: для электромагнитной волны с поляризацией ;

для электромагнитной волны с поляризацией . На рис. 5.23 показана зависимость от напряженности постоянного магнитного поля вблизи построен с учетом

Рис. 5.23

того, что при наличии потерь в феррите вектор в области резонанса не стремится к бесконечности, лишь достигает максимального значения.

Распространение электромагнитных волн в неограниченной ферритовой среде.

Пусть имеется однородная, безграничная во всех направлениях ферритовая среда, равномерно подмагниченная внешним постоянным магнитным полем , которое ориентировано параллельно оси Z. Наиболее интересными для практического использования являются два случая:

- направление распространения волны в феррите совпадает с направлением внешнего магнитного поля - продольное намагничивание;

- направление распространения волны в феррите перпендикулярно направлению внешнего магнитного поля - поперечное намагничивание.

Продольное намагничивание.Эффект Фарадея. Продольный ферромагнитный резонанс.

Так как ферритовая среда предполагается однородной, то в ней возможно распространение плоских волн, которые, как это следует из уравнений Максвелла, также как и в случае изотропной среды, являются поперечными, т.е. векторы магнитного и электрического полей находятся в плоскости, поперечной по отношению к направлению распространения электромагнитного поля. Теоретические исследования показывают , что при продольном намагничивании в ферритовой среде распространяются две волны, вектор магнитного поля которых поляризован по кругу: волна с коэффициентом распространения и волна с коэффициентом распространения . В соответствии с принятыми ранее обозначениями , волна, имеющая коэффициент распространения , совпадает с волной , а волна, имеющая коэффициент распространения , совпадает с волной , т.е. если в продольно намагниченной ферритовой среде возбудить волну, у которой вектор магнитного поля линейно поляризован и совпадает по направлению с осью X, эту волну можно представить в виде суммы двух волн с равной амплитудой и круговой поляризацией: волны и , имеющие различные коэффициенты распространения. Поэтому, пройдя вдоль оси Zодин и тот же путь (при условии,

Рис.5.24

что иные условия не меняются), волны получат разные фазовые сдвиги: и соответственно, что в конечном итоге приводит к повороту плоскости поляризации суммарного вектора при сохранении его линейной поляризации (см. рис.5.24). При этом соотношение между величинами и зависит от длины пути, пройденной волной вдоль оси Z. Угол поворота суммарного вектора тем больше, чем больше намагниченность феррита, его диэлектрическая пронцаемость, напряженность внешнего намагничивающего поля, частота и пр. Так как при (см. рис. 5.23) , то и плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке, если смотреть вдоль направления внешнего магнитного поля . При направление поворота плоскости поляризации меняется на противоположное.

Описанное явление поворота плоскости поляризации в продольнонамагниченной ферритовой среде получило название эффекта Фарадея. Если частота электромагнитного поля совпадает с частотой ферромагнитного резонанса , волна с поляризацией , как это следует из ранее изложенного материала, затухает в феррите . Наступает так называемый продольный ферромагнитный резонанс. В тоже время волна с поляризацией в феррите практически не затухает. Чтобы избежать значительных потерь энергии в устройствах, где используется эффект Фарадея, к ферриту прикладывают поля, достаточно далекие от резонансных.

Поперечное намагничивание.Поперечный ферромагнитный резонанс. Предположим, что плоская волна распространяется вдоль оси Xс коэффициентом распространения . Эта волна распадается на две волны. У одной волны с коэффициентом распространения вектор магнитного поля лежит в плоскости XY, перпендикулярной вектору постоянного магнитного поля, и имеет эллиптическую поляризацию. Вектор электрического поля параллелен вектору постоянного магнитного поля. Наличие составляющей вектора магнитного поля, параллельного направлению распространения (осьX ), означает, что распространяется волна типа Н. Вторая волна характеризуется коэффициентом распространения и имеет вектор магнитного поля, ориентированный параллельно направлению вектора постоянного магнитного поля. В этом случае магнитное поле волны не вызывает прецессии магнитного момента и коэффициент распространения соответствует коэффициенту распространения волны в обычной среде. Вектор электрического поля перпендикулярен направлению подмагничивающего поля и направлению распространения. Так как составляющие электрического и магнитного полей лежат в плоскости, нормальной направлению распространения, то эта волна является волной типа ТЕМ. При определенных условиях может возникнуть ситуация, когда магнитная проницаемость феррита, а также магнитные идиэлектрические потери в нем становятся бесконечно большими. Электромагниная волна при этом интенсивно затухает. Это явление называется поперечным резонансом. Из графиков на рис. 5.31 видно, что отрицательным значениям соответствуют напряженности внешнегно магнитного поля, меньшие резонансной. Следовательно, поперечный резонанс возникает при более низких значениях намгничивающего феррит поля, чем продольный.

Эффект смещения поля в продольно и поперечно намагниченных ферритах.При распространение волн с поляризацией в продольно намагниченной ферритовой среде становится невозможным. Если ферритовая среда имеет конечные размеры в поперечном сечении, то волна с поляризацией из феррита вытесняется и распространяется вне ферритовой среды. Волна с противоположной поляризацией нормально распространяется в ферритовой среде. Это явление получило название явление смещение поля. Аналогичная ситуация имеет место и в поперечно намагниченных ферритах при определенных напряженностях внешнего постоянного магнитного поля.