Лабы Звездина / Феррит / методичка Ферриты

З В Е З Д И Н А М.Ю.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ФЕРРИТЕ

Методическое пособие по выполнению лабораторной работы

2006г.

2

3

Цель работы

Ознакомление с эффектами, возникающими при распространении высо-

кочастотного электромагнитного поля в продольно и поперечно намагниченном феррите.

Содержание работы

1.Исследование характеристик плоской электромагнитной волны при про- хождении через продольно намагниченный феррит: вычисление характе- ристики волны и их зависимость от величины поля подмагничивания, изу- чение условий возникновения эффектов смещения и Фарадея.

2.Исследование характеристик плоской электромагнитной волны при про- хождении через поперечно намагниченный феррит: определение парамет- ров волны, изучение эффектов, обусловленных распространением волны в феррите.

Краткие теоретические сведения об особенностях распространения электромагнитных волн в феррите

1 Свойства ферритов в постоянном магнитном поле

1.1 Ферриты, обладающие магнитной анизотропией, относятся к классу ферримагнетиков. К данным веществам относятся соединения оксида железа

( Fe2O3 ) с оксидами других металлов – оксидом никеля, оксидом лития, окси-

дом марганца, оксидом цинка и др. Для работы на разных частотах использу- ются различные материалы. Рабочий диапазон частот ферритов - от 20МГц до

150ГГц. Удельное сопротивление очень велико и доходит до 107 K108 Ом∙м.

Относительная диэлектрическая проницаемость ферритов зависит от частоты и может изменяться в широких пределах. Относительная магнитная проницае- мость ферритов также зависит от частоты, имеет в общем случае нелинейный характер (петля магнитного гистерезиса). Однако в диапазоне СВЧ на санти-

4

метровых волнах величина относительной магнитной проницаемости может считаться приближенно постоянной величиной, равной единице.

1.2 Феррит в отсутствие поля подмагничивания представляет собой изо- тропную магнитодиэлектрическую среду, а анизотропные свойства приобретает только под действием постоянного магнитного поля. Дадим физическую трак- товку явлениям, возникающим в ферритах под действием постоянного магнит- ного поля.

Помимо спинового момента, с которым связаны свойства ферромагнит- ных веществ, электроны в атомах любого вещества обладают также так назы- ваемым орбитальным моментом, обусловленным движением электрона по ор- бите. С учетом данных моментов упрощенную модель атома вещества с неком- пенсированным электронным спином можно представить в виде «волчка». Под

воздействием постоянного магнитного поля H = магнитные моменты атомов, не совпадающие по направлению с приложенным полем, начинают прецесси-

ровать вокруг него с угловой частотой ωм , называемой частотой гиромагнит-

ного резонанса или частотой прецессии. Круговая частота прецессии зависит

Если на феррит помимо постоянного поля воздействует высокочастотное магнитное поле H = H0 exp(iω t), имеющее в общем случае круговую поляри-

зацию, то ось вращения электрона будет отклоняться, если переменное магнит- ное поле будет действовать перпендикулярно данной оси. Под действием пере-

менного магнитного поля будут происходить вынужденные колебания спинов электронов, а амплитуда этих колебаний будет тем большей, чем ближе частота

ω к круговой частоте прецессии ωм . При совпадении частот ω и ωм наступает

явление ферромагнитного резонанса, играющее важную роль в применении ферритов. При этом вращающийся вектор переменного магнитного поля оста-

5

ется неподвижным относительно прецессирующего магнитного момента. Энер- гия, подводимая от высокочастотного магнитного поля, рассеивается в виде те- пла в кристаллической решетке феррита, т.е. поглощается.

1.3 Магнитная проницаемость намагниченного феррита является тензор- ной величиной, т.е. зависит от координат:

связана с магнитной восприимчивостью среды, т.е. откликом среды на прила- гаемое внешнее магнитное поле, и определяется выражением

случаю ферромагнитного резонанса, при котором система проявляет себя по- добно резонансному контуру.

2 Продольное распространение электромагнитной волны

вферрите. Эффект Фарадея

2.1При одновременном воздействии постоянного и переменного магнит- ных полей в ферритах наблюдается изменение свойств переменного поля. Так,

если высокочастотное переменное магнитное поле является гармоническим и

6

Выражения для коэффициентов распространения волн (волновые числа) и вол- новых сопротивлений, полученные из решения системы уравнений (5), имеют вид:

Волновое число с индексом 1, полученное при использовании под радикалом верхнего знака (знака «+»), соответствует волне круговой поляризации с левым направлением вращения, второе волновое число (нижний знак, индекс 2) – вол- не с правым направлением вращения. Если в среде существуют обе волны с равными амплитудами, то компоненты суммарного электромагнитного поля обладают следующими свойствами:

-магнитное поле суммарной волны сохранит линейную поляризацию, по- скольку компоненты данного поля колеблются в фазе;

-электрическое поле будет эллиптически поляризованным, так как отли- чающиеся волновые сопротивления нарушат равенство амплитуд.

Угол наклона вектора напряженности магнитного поля и оси поляризаци- онного эллипса электрического поля зависит от пройденного волной расстоя- ния и описывается формулой:

тора H и эллипса поляризации электрического поля на единицу длины пути.

Явление поворота угла наклона вектора напряженности магнитного поля и оси поляризационного эллипса электрического поля по мере распространения вол- ны в феррите получило название эффекта Фарадея.

8

вать волна левого направления вращения. Однако намагниченный феррит явля- ется невзаимной средой, т.е. не подчиняющейся принципу взаимности. Данное положение поясняется на рисунке 2, на котором показано, что при движении волны из положения A вектор в прямом направлении поворачивается в положе- ние B, а при обратном направлении не возвращается в A, так как, продолжая вращаться в ту же сторону, приходит в положение C.

Зависимости магнитных проницаемостей волн левого и правого направ- лений вращения от величины поля подмагничивания различны. Так, для волн левого направления вращения параметры среды практически не зависят от ве- личины поля подмагничивания. Для волны с правым направлением вращения вблизи точки ферромагнитного резонанса (точка ωм = ω ) происходит резкое изменение магнитной проницаемости и осуществляется переход данных значе- ний из области отрицательных значений в область положительных значений. Указанные зависимости имеют важное практическое значение, поскольку из- менением постоянного магнитного поля осуществляется управление требуе- мым образом параметрами феррита.

3 Поперечное распространение электромагнитной волны в феррите

3.1 В случае, когда высокочастотное переменное магнитное поле распро- страняется перпендикулярно направлению распространения постоянного маг- нитного поля, система уравнений Максвелла распадается на две группы незави- симых уравнений, каждая из которых описывает отдельную волну:

Система (12а) описывает волну, ничем не отличающуюся от обычной плоской волны в изотропной среде с параметрами εε 0 , μ0 (обыкновенная вол-

на), имеющую магнитную составляющую, параллельную H = . Для данной вол-

9

ны волновое число и волновое сопротивление определяются соответственно выражениями, полученными для феррита в отсутствие поля подмагничивания:

Система уравнений (12б) описывает необыкновенную волну, которая в

отличие от обыкновенной волны имеет продольную составляющую магнитного поля, что обуславливает эллиптическую поляризацию магнитного поля в плос-

кости x0y , перпендикулярной H = .

Волновое число и волновое сопротивление необыкновенной волны опре- деляются соответственно выражениями:

наблюдается поперечный гиромагнитный резонанс. При поперечном гиро-

магнитном резонансе затухание волны не связано с явлением ферромагнитного резонанса, а объясняется бесконечно большим значением магнитной проницае-

мости μнеоб феррита и наличием диэлектрических потерь в нем.

Для сравнения явлений продольного и поперечного гиромагнитного резо- нанса на рисунке 3 показаны зависимости относительной магнитной проницае- мостей среды от величины относительной напряженности поля подмагничива- ния. Кривые 1, 2 соответствуют параметрами среды для волн с левым и правым

10

направлением вращения при распространении параллельно полю под- магничивания, а кривые 3,4 – для необыкновен-

ной и обыкновенной волн при поперечном

странении волны. Несложно заметить, что поперечный гиромагнитный резо- нанс, во-первых, наступает при более малых значениях поля подмагничивания и, во-вторых, имеет более низкую амплитуду.

Вследствие неравенства фазовых скоростей обыкновенная и необыкно- венная волны в разных точках оси 0x будут иметь различный фазовый сдвиг,

определяемый величиной

Если фазовый сдвиг равен целому числу π , т.е. ψ = nπ , то в точках оси

0x , удовлетворяющих данному равенству, электрическое поле суммарной вол- ны имеет линейную поляризацию. Во всех остальных точках оси 0x попереч- ная и продольная составляющие электрического поля сдвинуты по фазе на не- который угол, и суммарное поле имеет эллиптическую поляризацию.

4 Эффект смещения поля в продольно и поперечно намагниченных ферритах

Помимо рассмотренных выше эффектов в продольно и поперечно намаг- ниченных ферритах наблюдается также эффект смещения поля. Данный эффект возникает при отрицательных значениях μ2 (формула (11б)), когда коэффици-

ент распространения k2 волны с правым направлением вращения, как неслож-