Ферити звичайно застосовують в слабих і середніх полях, оскільки вони мають відносно низьку індукцію насичення (0,15... ...0,7 Тл).

Ряд марок марганцево-цинкових феритів з високою початковою проникністю застосовуються при частотах до декількох сотень кілогерців як в слабих, так і в сильних полях.

Тангенс кута магнітних втрат tgδ феритів має значення 0,005... 0,1, визначають також відносне значення tgδ./μ_H. Складові втрат на вихрові струми і на гістерезис у феритах малі, але в слабих і середніх полях ці складові зростають. При підвищенні частоти tgδ, починаючи з деякою визначеної для кожного фериту частотою, значно зростає і одночасно зменшується, що обумовлено головним чином релаксаціями, а іноді і резонансними явищами. Зменшення jx і зростання tgδ и зовні області резонансу може бути пов'язаний з інерційністю доменів і розмагнічуючою дією вихрових струмів.

Критична частота f_KP — частота магнітного поля, при якій tgδ = 0,1. Для НЧ марганцево-цинкових і нікель-цинкових феритів f_кp=0,01 ...30 Мгц, а для ВЧ нікель-цинкових феритів f_кр=25...250 Мгц. Встановлено, що чим вище значення μ_H, тим менше f_kp. В деяких випадках визначають значення f_кр при tgδ = 0,02.

Для феритів притаманна значна залежність проникності від температури. Початкова проникність феритів підвищується зі зростанням температури, а після досягнення температури Кюрі різко знижується у зв'язку з утратою ферімагнітних властивостей.

Властивості феритів сильно залежать від температури, особливо в порівнянні з магнітодіелектриками. Це пов'язано з відносно низькою точкою Кюрі деяких феритів. При температурах нижче точки Кюрі, але близьких до неї, магнітна проникність і інші властивості значно змінюються. Для зменшення ТКμ- у ферити вводять невеликі добавки деяких речовин (наприклад, СоО), сприятливо діючих на температурні властивості феритів.

Для феритів, що використовуються в радіотехнічній апаратурі, звичайно вказують початкову магнітну проникність, тангенс кута втрат tgδ, критичну частоту f_КР, температурний коефіцієнт початкової магнітної проникності та деякі інші параметри.

В техніці НВЧ застосовують пристрої, що працюють в діапазоні частот від сотень мегагерц до десятків гигагерц, тобто в діапазоні довжин хвиль від метрів до міліметрів. Для передачі електромагнітної енергії такої частоти застосовують хвилеводи — порожнисті металеві труби різної конфігурації, а також коаксіальні і полоскові лінії передачі. Якщо помістити всередину хвилеводу ферит, то в результаті взаємодії фериту з проходячою електромагнітною хвилею можна змінити структуру поля і швидкість розповсюдження хвиль, залежні від електричних і магнітних властивостей НВЧ-фериту. Оскільки магнітними параметрами фериту можна управляти дією зовнішнього магнітного поля, вони є основою багатьох важливих приладів НВЧ-техніки, таких, як, вентилі, фільтри, модулятори, помножувачі частоти.

В основі роботи феритових НВЧ-пристроїв лежить залежність магнітної проникності, а отже швидкості і загасання, від характеру поляризації електромагнітної хвилі, напряму розповсюдження і намагніченості. Дія більшості пристроїв і приладів, в яких застосовані НВЧ-ферити засновано на використовуванні магнітооптичного ефекту Фарадея, ефекту феромагнітного резонансу і зміни значення магнітної проникності фериту при дії на нього зовнішнього магнітного поля.

Робота того або іншого пристрою залежить від параметрів ферритового вкладиша, розмір і конфігурація якого визначаються для кожного конкретного випадку і залежать від призначення СВЧ-пристрою і умов його застосування (діапазон робочих частот і температур, рівень потужності). Вкладиші виготовляються у вигляді пластин, стрижнів, дисків, сфер і півсфер, а іноді мають і складнішу конфігурацію (рамки, шайби, фігурні пластини).

Одна з нових областей застосування НВЧ-феритів — квантова електроніка. використання прозорих для оптичного діапазону електромагнітних хвиль феррогранатів як робоче середовище для створення лазерів дозволило розробити принципово нові пристрої, в яких управління частотою і поляризацією лазерного випромінювання проводиться шляхом дії зовнішнім магнітним полем безпосередньо на робочу речовину лазера.

Разом з основними параметрами — точкою Кюрі, початковою магнітною проникністю, питомим електричним опором— для НВЧ-феритів указують намагніченість насичення, діелектричну проникність, тангенс кута діелектричних втрат, ширину лінії гиромагнітного резонансу і ряд інших параметрів.

Ферити НВЧ повинні відповідати ряду специфічних вимог, основні з яких — висока активність матеріалу до управляючого поля (можливість управління відносно слабим зовнішнім полем); високий питомий електричний опір р(105... 1011 Ом-м) і, можливо, менше значення tgδ (10~4... ... 10~3), а також магнітних втрат зовні області резонансу, що забезпечує мале загасання у фериті; вузька крива феромагнітного резонансу, температурна стабільність властивостей і більш високе значення точки Кюрі. Розроблено велику кількість феритів різного хімічного складу, які можуть бути використаний в НВЧ-пристроях. Матеріали, отримані на основі фериту магнію (Mg-Mn-шпинель), призначені в основному для роботи в середній частині сантиметрового діапазону.

В довгохвильовій частині сантиметрових хвиль застосовуються магнієві ферроалюмінати (Mg-Al-шпінель) і феррохромінати (Mg-Cr-шпінель), які характеризуються малими значеннями індукції насичення і малими початковими проникностями. Деякі марки цих феритів мають низькі значення точки Кюрі, що обмежує їх застосування при підвищених температурах.

В перспективі можливо створення інтегральних схем НВЧ-діапазона на феритових підкладках, окремі ділянки яких, піддані локальному легуванню, виконуватимуть функції активних напівпровідникових елементів схеми.

У зв'язку з розвитком оптичного зв'язку — передачі і обробки інформації за допомогою лазерів — виникає необхідність розробки різних пристроїв управління лазерним випромінюванням.

В оптичному діапазоні довжин хвиль можлива реалізація феритових пристроїв тих же типів, які застосовуються в НВЧ-діапазоні з використанням тих же фізичних принципів, які використовуються у феритових приладах НВЧ. Найбільш перспективні магнітооптичні пристрої, що використовують ефект Фарадея (оптичні вентилі, оптичні модулятори).

Магнітодіелектрики являють собою пластмасу, яка складається з порошку магнітного матеріалу з малою величиною коерцитивної сили, причому частки матеріалу електрично ізольовані одна від одної діелектриком. Шляхом подрібнення магнітом’якого матеріалу на дрібні частки, що вони не стикаються поміж собою, досягають малих втрат на гістерезис і вихрові струми. Основним видом втрат у магнітодіелектриках є втрати на магнітну післядію, котрі перевищують у 1030 разів інші види втрат.

Магнітодіелектрики  це високочастотні магнітні матеріали, характерною рисою яких є більш висока стабільність магнітних властивостей і, зокрема, стабільність магнітної проникності, за зміни зовнішнього магнітного поля. Технологія виготовлення магнітодіелектриків, подібна до надто поширеної технології виробництва пластмас, дозволяє з меншими витратами здобувати вироби значно більш високих класів точності, аніж вироби з феритів. Але з низки важливих електромагнітних параметрів магнітодіелектрики поступаються феритам, унаслідок чого області застосування магнітодіелектриків поступово скорочуються. У промисловості застосовують магнітодіелектрики на основі альсіферу, молібденового пермалою і карбонільного заліза.

Магнітодіелектрики на основі альсіферу. Альсіфер  це потрійний сплав алюмінію (аль-), кремнію (-сі-)..і заліза (-фер). Для магнітодіелектриків застосовують сплави з вмістом кремнію 911 % і алюмінію 7,5 %. Вимоги до точності підтримки складу сплаву невисокі, тому що властивості магнітодіелектрика мало залежать від властивостей вихідного магнітного матеріалу. Вони визначаються в основному розмірами, формою і взаємним розташуванням часток цього матеріалу. Альсіфер є дешевий, недефіцитний матеріал. Змінюючи вміст кремнію й алюмінію, можна регулювати величину температурного коефіцієнта магнітної проникності ТК і домогтися практично нульових його значень. Все це забезпечило альсіферу широке застосування при виробництві магнітодіелектриків.

Значення _п магнітодіелектриків на основі альсіферу невелике (2090), діапазон робочих частот 0,01 0,1 МГц.

Магнітодіелектрики на основі залізонікелевих сплавів (пермалоїв) вигідно відрізняються від альсіферів високими значеннями початкової магнітної проникності _п = 200  250 і зниженими значеннями ТК. Вихідною сировиною в цьому разі є молібденовий пермалой 79НМ. Присадку сірки вводять для надання пермалою крихкості, після чого він змелюється до часток розміром у декілька мікрометрів, що дає можливість зменшити втрати на гістерезис. Магнітодіелектрикам на основі пермалою властиве певне зниження проникності за підвищеної вологості, тому осердя з цього матеріалу потрібно застосовувати в герметизованій апаратурі.

Магнітодіелектрики на основі карбонільного заліза. Порошкоподібне карбонільне залізо можна здобувати з часток розміром до 15 мкм і величиною _п до 3000 за робочої частоти до 60 МГц.

Порівняння магнітних характеристик усіх типів магнітодіелектриків виявляє переваги осердь з карбонільного заліза, що полягають в широті робочого діапазону частот, мінімальній величині втрат, високій стабільності впродовж тривалого часу.

З магнітно-твердих речовин виготовляють, головним чином, постійні магніти, які набули широкого застосування рис.9.

М агнітно-тверді матеріали (магнітножорсткі або висококоерцитивні матеріали) - магнітні матеріали (феро- та феримагнетики), котрі намагнічуються до насичення і перемагнічуються в порівняно сильних магнітних полях, напруженістю в тисячі і десятки тисяч А/м. Магнітно-тверді матеріали відзначаються високими значеннями коерцитивної сили Нс (5*10³-7*10⁵ А/м), залишкової індукції В_r (0.2-1.2 Тл), а відповідно, і енергетичного добутку (ВН)_max= (10³-10⁵ Тл*А/м

Характеристиками матеріалів для постійних магнітів служать коерцитивна сила, залишкова індукція і максимальна енергія, що віддається магнітом в зовнішній простір.(рис.10). Магнітна проникність матеріалів для постійних магнітів нижче, ніж магніто-м'яких матеріалів, причому чим вище коерцитивна сила, тим менше магнітна проникність. Для них характерна велика кількість різних дефектів, що утруднюють переміщення доменних границь.

Рис.9. Постійні магніти

М агнітний потік, а отже, і магнітна енергія магніта в замкнутому стані (у вигляді кільцевого сердечника) знаходяться усередині нього. За наявності повітряного зазора між полюсами частина енергії виявляється пов'язаною з полем зовні об'єму матеріалу магніта. Величина її залежить від довжини зазора. Причому індукція B_d в проміжку буде менше за залишкову індукцію В_r, унаслідок розмагнічуючої дії полюсів магніта.

Рис.10. Криві розмагнічування-1,

магнітної енергії -2.

Питома магнітна енергія,

в повітряному зазорі: W_d = B_dH_d / 2

де H_d — напруженість поля, відповідна індукції B_d, А/і (рис. 10).

Чим менше довжина магніта і відносно більше зазор, тим більше розмагнічуюче поле полюсів і тим менше B_d.

При замкнутому магніті B_d = В_r ; причому енергія рівна нулю, оскільки Н_d = 0. Якщо зазор між полюсами дуже великий, то енергія за цих умов також прагне нуля, оскільки Bd = 0, H_d = H_с.

При деяких значеннях B'_d і H'_d енергія досягає максимального значення:

W_макс = B'_d H'_d / 2

яке визначає якнайкраще використовування магніта і тим самим є найважливішою характеристикою якості матеріалів, що використовуються для виготовлення постійних магнітів. Нерідко для характеристики таких матеріалів користуються добутком B_dH_d, опускаючи множник 1/2, або коефіцієнтом опуклості кривої розмагнічування матеріалу

γ = (BH)_макс / В_rH_r

З посиленням прямокутника петлі гістерезису коефіцієнт опуклості наближається до одиниці. Чим більше залишкова індукція В_r, коерцитивна сила Н_с і коефіцієнт опуклості, тим більше максимальна енергія магніта.

Щоб отримати високу коерцитивну силу в магнітному матеріалі, необхідно утрудняти процес перемагнічування. Це можна здійснити двома шляхами: або перешкодити зсуву доменних меж, або взагалі виключити ці межі, зменшуючи розмір кристалічних зерен. Перешкодами до легкого зсуву доменних меж під дією зовнішнього магнітного поля є внутрішні механічні напруги, сторонні включення або висока магнітострикція. Велика коерцитивна сила виникає в матеріалі, що складається з однодоменних частинок, у яких велика енергія магнітної кристалографічної анізотропії або анізотропії форми.

За складом і способом одержання розрізняють:1) леговану мартенситну сталь; 2) литі магнітно-тверді сплави; 3) магніти з порошків; 4) магнітно – тверді ферити; 5)магнітні стрічки.

Мартенситна сталь належить до найпростіших і найдоступніших матеріалів. Використовується лише легована хромом (до 10 %), вольфрамом (до 6 %), кобальтом (до 16%) сталь. Набуває потрібних магнітних властивостей після гартування з утворенням мартенситу-специфічної структурної складової.

Магнітні властивості таких сталей гарантуються для мартенситних сталей після здійснення термообробки, специфічної для кожної марки сталі, і п'ятигодинної структурної стабілізації в киплячій воді. Мартенситні сталі почали застосовувати для виробництва постійних магнітів раніше всіх інших матеріалів. В даний час вони мають обмежене застосування зважаючи на їх невисокі магнітні властивості, але повністю від них не відмовляються, оскільки вони дешеві і допускають механічну обробку на металоріжучих верстатах.

Найбільшу кількість постійних магнітів виготовляють з литих сплавів складу Fe-Al-Ni та Fe-Al-Ni-Co.

Сплави системи Fe-Al-Ni (альні) містять 20-30 % Ni, 11-13 % Al, легуються міддю, інколи титаном. Мають порівняно невисокі магнітні властивості (Нс досягає значень 50кА/м, а (ВН)_max-12 кДж/м³), але дешеві, бо не мають дефіцитних компонентів.

Сплави систем Fe-Al-Ni-Co (альніко) містять 12-26 % Ni, 2-40 % Co і 6-13 % Al з додаванням міді(2-8 %), титану (0-9 %) та ніобію (0-3 %) для поліпшення властивостей. Залежно від вмісту кобальту та технології термообробки можна одержати матеріали з (ВН)_max 15-45 кДж/м³. Спеціальною обробкою – охолодженням магнітів після відливання в сильному магнітному полі - сплавів оптимального складу можна досягти (ВН)_max до 85кДж/м³, що дозволяє зменшити масу та габарити магнітів. Сплави альніко значно дорожчі за сплави типу альні.

Різко поліпшені магнітні властивості сплавів обумовлюються не тільки складом, але і спеціальною обробкою — охолоджуванням магнітів після відливання в сильному магнітному полі.

Якщо відлитий магніт анізотропний, то кращі властивості у нього виявляються в тому напрямі, в якому при охолоджуванні на нього діяло магнітне поле.

Недоліком сплавів типу альни, альнико і магнико є трудність виготовлення з них виробів точних розмірів унаслідок крихкості і твердості сплавів, що допускають обробку тільки шляхом шліфовки. Безкобальтові сплави (ЮНД) найдешевші. Сплави, що містять кобальт (ЮНДК15 і ЮНДК18), застосовують в тих випадках, коли потрібні підвищені магнітні властивості і потрібен ізотропний магнітний матеріал. Сплави з 24 % кобальту, які мають високі магнітні властивості у напрямі магнітної текстури, використовують при направленому магнітному потоці. Сплави з направленою кристалізацією, наприклад ЮН13ДК25БА, ЮНДК35Т5БА, мають найбільший запас магнітної енергії, а тому з них можуть бути виготовлений малогабаритні магніти. При великому повітряному зазорі перевагу слідує віддавати сплавам з найбільшою коерцитивню силою, наприклад сплавам, що містять титан, — ЮНДК40Т8 і ін. Монокристалічні сплави мають високу коерцитивну силу, велику запасену енергією (у сплаву ЮНДК35Т5АА вона найбільша), підвищену механічну міцність, але достатньо дорогі.

Порошкові матеріали використовуються способом пресування з наступною термообробкою. Їх застосування особливо важливе, коли треба виготовити дрібні вироби з суворим додержанням розмірів. Матеріали (магніти) цієї групи поділяються на металокерамічні, металопластичні та оксидні.

Металокерамічні магніти одержують пресуванням і наступним спіканням без зв’зуючої речовини порошку з подрібненого магнітно-твердого сплаву.

За магнітними властивостями вони майже не поступаються литим магнітам, але дорогі. Дрібні деталі за такої технології одержують з досить точними розмірами без потреби в додатковій обробці.

Металопластичні магніти одержують пресуванням магнітного порошку зі зв’язуючим і нагріванням до невисокої температури, необхідної для полімеризації останнього. Ці магніти відзначаються простішою технологією виготовлення, вищим питомим опором, нижчою вартістю, але їх магнітні властивості гірші, ніж литих.

Оксидні матеріали являють собою магнітно-тверді ферити. Найчастіше використовують барієвий ферит BaO*6Fe₂O₃, котрий не містить дефіцитних компонент. Матеріал має високе значення коерцитивної сили (до 240 кА/м), питомий опір 10⁴-10⁷Ом*м, але невелику залишкову індукцію (~0.38 Тл) і (ВН)_max –до 12 кДж/м³. Як недоліки барієвих магнітів слід відзначити невисоку механічну міцність, крихкість, сильну залежність магнітних властивостей від температури.

Барієві магніти доцільно виготовляти у вигляді шайб і тонких дисків; вони відрізняються високою стабільністю у відношенні, дії зовнішніх магнітних полів і не бояться трясіння і удари. Густина барієвого фериту 4,4—4,9 Мг/м3, приблизно в 1,5—1,8 рази менше густини литих железонікельалюміньєвих сплавів (~7,3—7,8 Мг/м3); магніти виходять легкими. Питомий опір барієвого фериту 106—107 Ом-м, тобто в мільйони раз вище за питомий опір литих металевих магнітотвердих сплавів. Магніти з барієвого фериту можна використовувати при високих частотах. По вартості вони майже в 10 разів дешевше за магніти з ЮНДК24.

До недоліків барієвих магнітів слід віднести низьку механічну міцність, велику крихкість, сильну залежність магнітних властивостей від температури. Крім того, вони знаходять необоротну зміну магнітних властивостей після охолоджування від кімнатної до низьких температур (— 60⁰С) і нагрівання до первинної температури.

Кобальтові магніти характеризуються більшою температурною стабільністю в порівнянні з барієвими. Вартість магнітів з кобальтових феритів вище, ніж у барієвих.

Матеріали для звукозапису. Для запису і відтворення інформації використовуються суцільні металеві стрічки з магнітно-твердих сталей і сплавів (головним чином в спеціальній апаратурі) та стрічки на пластмасовій основі з порошковим робочим шаром. Для виготовлення останніх застосовуються дешеві доступні оксиди заліза - магнетит Fe₃O₄ (чорного кольору) та Fe₂O₃ (коричнево-жовтого кольору). Магнітні параметри звичайної магнітної стрічки: Н_с=6÷20кА/м та B_r=0.4÷0.8Тл. Технічні характеристики стрічки залежать не лише від властивостей вихідних матеріалів, а й від ступеня подрібнення часток, об’ємної густини магнітного матеріалу в робочому шарі, орієнтації часток ; вони визначають якість запису - відтворення на малих швидкостях руху носія.

Матеріали з високою питомою енергією. До цієї групи належать сплави металів групи заліза (Fe, Co, Ni) з рідкісно-земельними металами, що відзначаються рекордними значеннями всіх основних магнітних характеристик при задовільних характеристиках температурної і часової стабільності. Спочатку віддавалась перевага сплавам Sm –Co, які виявились найтехнологічнішими. В 1987 р. промислово освоєно виробництво постійних магнітів на основі сплавів системи Nd-Fe-B, які загалом мають кращі характеристики (крім діапазону робочих температур). Їх світове виробництво швидко зростає.

Інтенсивно ведуться дослідження з метою одержання нових матеріалів з кращими властивостями, зниження їх вартості, розробки нових технологічних прийомів виготовлення магнітів.

До матеріалів з прямокутною петлею гістерезисну (ППГ) відносяться матеріали, статична петля гістерезисну яких характеризується коефіцієнтом прямокутності

α=B_r/B_max,

де B_r –залишкова магнітна індукція, що відповідає максимальному значенню магнітної індукції В_max. Для петлі гістерезису з ідеальною прямокутністю α=1.0; для матеріалів, що застосовуються на практиці α=0.85-0.98.

Осердя з матеріалу з ідеальною ППГ має два стійких магнітних стани, що відповідають додатному і від’ємному значенням залишкової магнітної індукції, і тому є магнітним елементом для зберігання і переробки двійкової інформації.

Найбільш широко застосовуються ферити з ППГ у вигляді кільцевих осердь з зовнішнім діаметром 0.4-0.6мм, проте випускаються і осердя складнішої форми з розгалуженим магнітопроводом. За складом найчастіше застосовуються ферити магніймарганцевої системи, а також з вмістом літію(Li-Mg-Mn та Li-Na).

Для виготовлення постійних магнітів використовують магнітно-тверді ферити, найбільше застосування з яких дістали ферити барію ВаО • 6Fe₂O₃. На відміну від маг­нітно-м'яких феритів барієві ферити мають не кубічну, а гексагональну кристалічну структуру, яка зумов­лює магнітну твердість феритів барію в основному зав­дяки великій коерцитивній силі. За своєю структурою ферити барію — це полі кристал ічні матеріали, які скла­даються з багатьох кристалічних частинок. При цьому кристалічні частинки орієнтовані довільно, що зумовлює однаковість властивостей фериту в усіх напрямах. Якщо ж у процесі пресування магнітів порошкопо­дібну масу піддають дії зовнішнього магнітного поля великої напруженості (Н ж 800 А/м), то кристалічні частинки орієнтуватимуться в одному напрямі. Виго­товлені таким чином барієві магніти є анізотропними (марка БА). Ці магніти в готовому вигляді, тобто після відпалювання в печах і намагнічування, мають більш високий рівень магнітних характеристик. Магніти, виготовлені з барієвих фери­тів, мають більший питомий опір, що дає змогу застосо­вувати їх в області високих частот. Для кращого вико­ристання барієвим магнітам надають форми, при якій їхня довжина мала порівняно з перерізом.

За останніх 30 років властивості постійних магнітів революційним чином змінилися, що добре видно з приведеної нижче  діаграми рис.8. Нижня блакитна лінія показує динаміку розвитку властивостей феритових магнітів червона - магнітні сплави типу Альнико, зелена і фіолетова - відповідають магнітам, що виготовляються на основі рідкоземельних елементів:- зелена лінія - Самарій- кобальтові магніти - фіолетова лінія - Неодим - залізо – борові (рис.9). Як видно з діаграми магнітна енергія самарієвих магнітів в 6 разів вище, а неодимовых в 10 разів вище, ніж у звичних нам феритових (керамічних) виробів. Механічні зусилля, які можуть створюватися сучасними постійними магнітами, наприклад неодимовими (рис.9), цілком відповідають зусиллям, характерним для звичайних машин і механізмів, десятки і сотні кілограмів.

Рис.11. Дінаміка розвитку магнитів Рис.12. Неодімові магніти

Контрольні питання

1. Яка структура магнітодіелектриків?

2. Назвіть основні властивості магнітних матеріалів.

3. Якими параметрами характеризуються магнітотверді матеріали?

4. Які переваги феритів в порівнянні з феромагнетиками?

5. Якими основними параметрами характеризуються ферити?

Лекція 15