книги из ГПНТБ / Казарновский Д.М. Материалы и детали электротехнической аппаратуры

ГЛАВА 15

МАГНИТНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

15-1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Ферриты представляют собой обширную группу веществ с двумя характерными физическими особенностями — наличием некомпенсированного антиферромагнетизма и низкой удельной проводимости (10- 12-г-103 ом-1 см-1), свойственной-полупроводни­ кам. Антиферромагнетики — вещества, в которых магнитные мо­ менты в соседних слоях равны и направлены взаимно противо­ положно; поэтому макроскопически магнитные свойства у них не обнаруживаются. Однако при повышении температуры взаимная компенсация противоположно направленных моментов нару­ шается. Ферриты являются ферримагнетиками—веществами с антипараллельной ориентацией спинов соседних атомов, но с сум­ марным спонтанным магнитным моментом, не равным нулю. Это вызвано тем, что магнитные моменты ионов с одним направлением неполностью компенсируются соседними антипараллельными мо­ ментами. Применяемые в технике ферриты по кристаллической структуре можно в основном отнести к одной из четырех групп:

1 ) ферриты с решеткой типа минерала шпинели; 2 ) ферриты со структурой минерала гаусманита; 3) ферриты со структурой граната; 4) ферриты со структурой магнетоплумбита.

В. структуре шпинели (MgAl30,|) кристаллизируются ферриты цинка ZnOFeoOs, магния, марганца, железа, кобальта и никеля, имеющие аналогичную формулу, а также лития Lio,5Fe2,s0 4 . Известны различные смешанные ферриты, получающиеся на осно­ ве этих, с формулой

A1_B/;Fe30 4,

где А и Б — ионы указанных выше металлов, k — изменяется от 0 до 1 .

240

формулой ЗАО • 5Fe203, А3+ — ион иттрия или редкоземельного металла. Кристаллическая решетка граната, как и шпинели, имеет форму куба.

Особое место занимают ферриты со структурой PbFe^Oia — магнетоплумбита. Это бариевые ферриты (или ферроксдюры) с формулой Ba0 -6Fe20 3 . Иногда ионы бария замещают частично ионами La3+, Rb+, К+ и Na+.

Они имеют либо гексагональную, либо ромбоэдрическую струк­ туру; кристаллы в большинстве имеют плоскости преимуществен­ ных направлений самопроизвольной намагниченности.

Известны как ферромагнитные ферриты, так и ферриты, не обладающие ферромагнитными свойствами. Немагнитными фер­

мер, Ni0 -Fe20 3 ) и немагнитного феррита (например, Zn0-Fe20 3). При увеличении содержания в магнитном феррите цинкового или кадмиевого феррита снижается точка Кюри 0 твердого рас­ твора. В связи с этим анизотропия и магнитострикция, измерен­ ные при 20° С, уменьшаются, что имеет результатом снижение ко­ эрцитивной силы Яс и увеличение начальной и максимальной маг­ нитной проницаемости (рис. 15-1). Электропроводность большин­ ства ферритов объясняется процессами электронного обмена меж­ ду ионами Fe2+ и Fe3+, находящимися в междоузлиях. При ком­ натной температуре происходит.до 1012 переходов в секунду. При повышении температуры под влиянием теплового движения воз­ растает частота переходов и, следовательно, проводимость фер­ рита.. Поэтому увеличение содержания ионов Fe3+ и уменьше­ ние Fe2+ (например, обжиг в атмосфере' кислорода) сопровож­

241

дается снижением проводимости. В ферритах-гранатах, содержа*

на магнитномягкие и магнитнотвердые. Магнитномягкие ферриты в свою очередь охватывают материалы с округлой петлей гисте­

К этой группе относятся материалы с петлей гистерезиса по форме, далекой от прямоугольной.

Для сравнения и выбора ферритов, а также для расчета фер­ ритовых сердечников используются следующие основные пара­

При сильном подмагничивании одной из основных характеристик становится пульсационная (обратимая) магнитная проницаемость

(см. рис. 13-5)

(15-3)

В импульсных полях приобретает значение

импульсная магнитная проницаемость, определяемая по предель­ ному частному циклу (стр. 219). Для ферритов характерно из­ менение свойств при изменении частоты и температуры, а также под влиянием подмагничивающего постоянного поля.

С повышением частоты магнитная проницаемость при извест­ ном граничном значении / гр начинает быстро снижаться, a tg SJt —

расти (рис. 15-2). Граничной обычно считают такую частоту, при которой tg SJ( = 0,l . Заметим, что tg8„ зависит также от индук­ ции В и формы сердечника; например, для тороидального сердеч­

242

ника из феррита Ф-600 / ?/,= 1,5 Мгц, а для цилиндрического / г/, = = 2,8 Мгц. Величина / гр тесно связана с начальной магнитной про­

ницаемостью феррита чем выше tv тем ниже граничная ча­ стота. Это, по-видимому, связано с явлением ферромагнитного’ резонанса, который возникает тогда, когда частота внешнего маг­ нитного поля близка к частоте прецессии спинов.

При резонансной и при более низких частотах в слабых полях намагничивание обязано поворотам магнитных моментов; при бо­ лее высоких частотах намагничивание становится слабее и маг-

нитная проницаемость падает. У ферритов с более высокой магнит­ ной проницаемостью, т. е. с более низкой магнитной анизотропией,, частота прецессии в общем ниже, чем у ферритов с более низкой магнитной проницаемостью. Вследствие этого высокопроницаемые ферриты сохраняют свою магнитную проницаемость в менее ши­ роком диапазоне частот, чем ферриты с низким значением р; частота ферромагнитного резонанса изменяется при изменении на­ пряженности подмагничивающего поля. Исключением из этого правила являются литийцинковые ферриты, у которых при пере­ ходе через граничную частоту магнитная проницаемость возра­ стает.

Величина ря тесно связана с положением точки Кюри. По мере смещения точки Кюри влево, т. е. в сторону низких темпе­ ратур, увеличивается значение ря при 20° С. Характер темпера­ турной зависимости tv и tgo,, ферритов определяется тем обстоя­ тельством, что в смешанных ферритах температура в точке Кюри невысока, например для НЦПООО 0=120°С. Поэтому при повы­ шении температуры по мере приближения ее к точке Кюри уве­ личивается магнитная проницаемость, но одновременно и tg 8^,. Диэлектрическая проницаемость s ферритов тесно связана с маг­ нитной проницаемостью р. Ферриты с высоким значением р имеют

243

и большую диэлектрическую проницаемость. Величина в быстро снижается по мере возрастания частоты; на звуковых частотах в— несколько тысяч, при радиочастотах е~40. Все ферриты чувстви­ тельны к толчкам и ударам. По величине рассматриваемые ферриты разбиваются на три группы.

К этой группе относятся марганцевоцинковые и никельцинковые ферриты. Обозначение феррита обычно содержит цифру, ука­ зывающую величину IV Например, марганцевоцинковый феррит

Р

/ V

с рлг«2000 обозначают: МЦ-200, ФМ-2000 или оксифер М-2000. Никельцинковый феррит обозначают НЦ-2000, ФМ-2000 или окси­ фер 2000. Смешанные марганцевоцинковые Mni_/iZn;iFe30 4 и никельцинковые Nii_;!Zn71Fe304 (где k — переменная величина) имеют структуру шпинели.

Марганцевоцннковые ферриты могут иметь начальную магнит­

< 70°С, 5 S = 0,25 тл, Вт= 0,11 тл, Нс = 8 а/м, tgo„=0,05 (/= 10 кгц);

Т1\р = 0,6 проц/град-, граничная частота /^ = 5 0 0 кгц. Высокопроницаемые марганцевоцинковые ферриты по сравне­

нию с никельцинковыми отличаются более высокой индукцией на­ сыщения, более широким температурным интервалом, большей

244

температурной стабильностью и более низкими потерями при частотах до 300 кгц. При частотах свыше 300 кгц потери меньше в никельцинковых ферритах. Они имеют, кроме того, высокое зна­ чение отношения ярко выраженную зависимость ц от подмагничивающего поля и хорошие магнитострикционные свойства.

Сердечники ферритов с р- 2000 имеют кольцевую, Ш-образ- ную, П-образную и броневую форму и применяются для импульс­ ных трансформаторов, маломощных трансформаторов низкой ча­ стоты, дросселей и магнитных усилителей в диапазоне частот 10—■ 300 кгц.

Ферриты с |а=400ч-1000

К этой группе относятся никельцинковые ферриты. Основные,

свойства оксифера-600: tp 110° С, £ s= 0,3 тл, Вг = 0,4 тл, Нс= 32 G0H,tg8^( = O,O2, ТКр = 0,4 проц/град, у=10-4 ом-'см-1. Гра­ ничная частота / г/)=1,5 Мгц. Следует учитывать высокую диэлек­ трическую проницаемость ферритов, быстропадающую с ростом частоты. Так, для НЦ-500 при 5 кгц е= 225, а при 500 кгц е= 65.

Ферриты с р порядка 1000 используют для трансформаторов звуковой частоты и широкополосных усилителей, дросселей филь­ тров катушек, для контуров промежуточной частоты, магнитных головок для звукозаписи.

Ферриты с р=400ч-600 используют в отклоняющих катушках и трансформаторах строчной развертки телевизоров и в контурах настройки частоты; из них изготовляют сердечники катушек филь­ тров, импульсных и высокочастотных трансформаторов в диапа­ зоне 0,5—5 Мгц, а также сердечники магнитных усилителей.

Ферриты с |л^>250

К этой группе принадлежат никельцинковые, литийцинковые и магнийцинковые ферриты, а также полиферриты. Никельцинко­ вые ферриты выпускаются с начальной магнитной проницаемо­ стью = 15; 50; 100; 200.

Литийцинковые ферриты образуют систему ЫгО • ZnO • Ге20з. Меняя соотношение между компонентами получают то или иное

—80 при 50 кгц-, е= 50 при 500 кгц.

245

при частотах /=20=100 Мгц для сердечников катушек индуктив­ ности, антенн и отчасти магнитных усилителей.

10-9 ом~1см-‘.

15-3. ФЕРРИТЫ С ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПЕТЛЕЙ ГИСТЕРЕЗИСА

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) получили развитие в связи с запросами вычислительной техники и устройств автоматического управления, где ферритовые сердечники исполь­ зуются для запоминающих элементов. К основным параметрам таких ферритов, помимо общих характеристик, относятся следую­ щие (рис. 15-5): коэффициент прямоугольности

здесь В' — индукция при Н = — ^ , где Нт— напряженность, отве­

чающая Вт.

246

Кроме того, важна величина коэффициента переключения

определяющего время х переключения от — Вг до + ВГ, где Я0— пороговое поле, которое больше Нс. Имеют значение, наконец, крутизна кривой намагничивания и стабильность параметров сердечника при изменении частоты и температуры. Все ферриты

сППГ чувствительны к толчкам и ударам.

Взависимости от основных функций, выполняемых феррито­ выми элементами, их параметры подбираются соответствующим образом. Так ферриты для ком­

(полифферит прямоугольный), феррит марки Н, К и другие. Циф­ ра, стоящая после букв, указывает номер серии и не отвечает

= 132 а/м.

Следует подчеркнуть, что с ростом температуры магнитные свойства ферритов снижаются (рис. 15-6). Заметим, что по вели­ чине выходного сигнала наибольший температурной стабильно­ стью обладает феррит Н-44 (до 140°С), хотя его параметры при нормальных условиях ниже, чем у ПП-5. Величина времени пере­ ключения т существенно падает с ростом напряжения поля.

Магнитные параметры сердечников сильно изменяются при воздействии механических усилий. Большие напряжения могут возникнуть при заливке блоков с ферритовыми сердечниками ком­ паундами.

Ферриты этого типа имеют невысокую магнитную проницае-

247

Рис. 15-6. Характеристики феррита ПП-5 с прямо­ угольной петлей гистерезиса:

мость порядка 50 и применяются в импульсных счетно-решающих схемах в качестве ячеек памяти. Ферриты применяются также для бесконтактных переключателей. Простота технологии производ­ ства, низкая стоимость и высокие импульсные и частотные харак­ теристики обусловили широкое применение рассматриваемых фер­ ритов для частот до 1 Мгц и в импульсном режиме.

15-4. МАГНИТНОТВЕРДЫЕ ФЕРРИТЫ

К ним относится феррит бария (ферроксдюр) с гексагональ­ ной решеткой, имеющий формулу ВаО-бБегОз. По своей струк­ туре эти ферриты напоминают структуру магнетоплумбита. По­ рошки окислов бария и железа вначале спекают при 1000° С для получения ферритовой структуры, затем осуществляют тонкий по­ мол (размеры частиц около 1,5 мк), прессуют изделия и обжи­ гают при 1200° С. Благоприятно сказывается на магнитных свой­ ствах присадка каолина. Ферриты этого типа имеют плотность около 5 г/см3.

Индукция насыщения невелика Bs = 0,4 тл и быстро падает (как и остаточная индукция ВГ) с ростом температуры. Ввиду большого по абсолютной величине ТКВГ= —0,2 проц/град при­ менение таких магнитов в измерительных приборах нецелесо­ образно. Следует отметить, что, помимо температурной нестабиль­ ности, при нагреве в бариевых ферритах происходит необратимое уменьшение магнитной энергии и магнитной индукции. Стабили­ зации достигают путем охлаждения магнита до —70° С, однако, если магнит оказывается в среде с более низкой температурой, то его индукция снизится снова. Бариевые ферриты состоят из изо­ лированных однодоменных частиц размером порядка нескольких микрон. При очень малых однодоменных частицах намагничива­ ние осуществляется процессами вращения и этим объясняется вы­ сокое коэрцитивное поле таких материалов.

248

Еще более высокая напряженность поля получается у так на* зываемых анизотропных бариевых ферритов.

Нетекстурованные ферриты обозначают МБИ — макроскопи* чески-изотропные бариевые, анизотропные — МБА. Путем прес-; сования в сильном магнитном поле в них создаются направлен* ные магнитные свойства. Такие анизотропные ферриты обладают

= 0,3 тл. Температурный коэффициент остаточной индукции также велик ТКВ ,=—0,2 проц/град. Точка Кюри 9 = 400° С. Проводи­

мость у=10-0 ом~] см-'.

Магнитнотвердые ферриты, имея весьма низкую электропровод­ ность, применяются для подмагничивания сердечников высокоча­ стотных ферровариометров и для постоянных магнитов в механи­

ческих фильтрах.

Ввиду большого Нс их применяют для коротких магнитов» иногда имеющих форму дисков.

15-5. ТОНКИЕ ФЕРРИТОВЫЕ ПЛЕНКИ

На подложку, выполненную из плавленного кварца, ультра* фарфора или кристаллокерамики, наносят путем испарения в ва­ кууме тонкую пленку металлов, например никеля, цинка и железа

о

(толщина 1000 А и более), после чего этот металлический слой подвергают окислению при температуре 600—1100°С. Могут быть образованы пленки никельцинкового Nii_h, Zn^, Fe2C>4; марган­ цево-магниевого Mg!_h, Мщ, Fe20 4 и других ферритов.

Рентгеноструктурный анализ показывает, что структура и по­ стоянная решетки пленочного феррита не имеют существенных от­ личий от аналогичного массивного феррита. Удельную проводи­