Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элементы и устройства магнитоэлектроники. Лабораторный практикум
.pdf
6. В положении переключателя V2 регулировкой магазина емко-
стей уточнить настройку контура в резонанс и определить U
положении переключателя V
7.
Уменьшить до предела выходное напряжение генератора.
определить U1.
1
, затем в
2
ВНИМАНИЕ! В процессе измерения образец может саморазогреваться, что приводит в изменению уровня магнитных потерь. Поэтому операции 5–7 надо выполнять быстро или повторить через
мин после окончания.
2…3
Заменяя однотипные образцы или изменяя температуру измерения,
повторить операции 3–6, при этом начальное значение U
устанавливать порядка величины U
8.
Закончив измерения, показать результаты преподавателю и
для предыдущего измерения.
1
по п. 3 можно
1
только после этого выключить установку.
5.5. Обработка результатов
1. Измерив геометрические размеры кольцевых образцов, рассчи-
тайте S
муле (5.6). Для Ш-образных образцов значения S
и lе по формулам (5.8), (5.9), а затем напряжение U3 по фор-
e
и lе указывает пре-
e
подаватель.
Рассчитанные значения U
2.
используйте при измерении магнит-
3
ных потерь.
Результаты измерения представьте в виде таблицы. Значения Р
3.
рассчитайте по формуле (5.7).
Результаты измерений
№
образца
f,
кГц t,
o
C B, Тл U3, В U1, В U2, В
мкВт
Р,
см Гц⋅
3
Задание
1. Измерить зависимость магнитных потерь в ферритах 2500
НМС2 от температуры в интервале 20…100 оС.
Измерить и сравнить магнитные потери в ферритах 60 НН и
2.
НМС2.
2500
3.
Для образцов, измеренных при постоянных f, t
o
C, B∼,
нарисовать графики зависимости потерь от состава феррита, температуры
спекания, среднего размера зерна. Для образцов, измеренных при
71
разных f, t
o
C, B∼, определить зависимость магнитных потерь от из-
меняемого параметра.
5.6. Отчет по работе
должен содержать:
Отчет
–
цель работы;
краткое теоретическое введение;
–
блок-схему установки, расчетные формулы;
–
–
экспериментальные результаты, представленные в виде таблицы;
графики зависимости магнитных потерь от состава, структуры
–
ферритов или условий измерения;
–
выводы.
Литература
1. Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.М. Физико-химические
основы получения, свойства и применение ферритов. М.: Металлургия, 1979. С. 412–416.
2.
Шольц Н.Н, Пискарев К.А. Ферриты для радиочастот. М.–Л.:
Энергия, 1966. С. 42–43, 12–23.
Контрольные вопросы
допуска к работе
Для
В чем сущность метода измерений?
1.
2.
Какие составы ферритов используются в низкочастотной ра-
диоаппаратуре?
Как зависят потери от частоты измерений и температуры?
3.
4.
Что такое температурный коэффициент потерь?
Какие виды магнитных потерь вам известны?
5.
Для защиты работы
1.
Каков механизм динамического перемагничивания ферритов?
Как зависят потери в ферритах от Н
2.
, Вм, начальной магнитной
с
проницаемости?
3.
Как изменится уровень магнитных потерь в феррите 2500
НМС2 при закалке его с температуры спекания ~1300 °С?
4.
Опишите природу гистерезисных потерь.
Объясните различные уровни потерь в Ni – Zn (60 НН) и Mn – Zn
5.
феррите.
72
Лабораторная работа 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ
КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ ФЕРРИТА
ОТ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ТОЛЩИНЫ
СЛОЯ
1
(2 часа)
6.1. Цель работы
Исследовать
явления отражения и поглощения электромагнитной
энергии в ферритовом слое, изучить зависимость коэффициента отражения от толщины слоя и химического состава феррита.
6.2. Теоретическое введение
Электромагнитные
волны, падающие на слой феррита конечной
толщины, частично отражаются, частично поглощаются в слое и частично проходят через него. Коэффициенты отражения R, поглощения
D
и прохождения Г связаны уравнением
R
2
+ D2 + Г2 = 1. (6.1)
Все три коэффициента зависят от материальных комплексных па-
раметров феррита ε
*
и μ*, толщины ферритового слоя d; угла падения
электромагнитной волны на поверхность. Если ферритовый слой нанесен на металлическое проводящее основание, то падающая волна,
отражаясь от поверхности металла, вновь проходит слой феррита,
испытывая повторное поглощение. Так как Г = 0, то
R
2
+ D4 = 1. (6.2)
Явление поглощения электромагнитной энергии в феррите может
реализоваться в весьма широком диапазоне частот, если соответствующим образом подобрать ε
*
, μ* и d. Подбирая состав ферритов,
технологию их получения, толщину, стремятся получить слой с минимальными значениями R при максимальных D. Такие материалы
называют радиопоглощающими (РПМ). Слои РПМ могут использоваться для защиты оборудования и персонала от радиоизлучения, в
–––––––––
1
Выполняется как усложненный вариант лабораторной работы 3.
73
частности, пассивной радиомаскировки инженерных объектов от обнаружения средствами радиолокации. Инженерные конструкции,
состоящие из слоев различных РПМ как ферритовых, так и не ферритовых и обеспечивающие максимально широкий диапазон частот
поглощения, называются радиопоглощающими покрытиями (РПП).
Основные сведения о магнитных спектрах ферритов
Магнитная
проницаемость ферромагнетиков в общем виде харак-
теризуется их комплексной магнитной проницаемостью
*
μ
= μ′ + iμ″,
где μ′ – определяет запас магнитной энергии;
μ″ –
магнитные потери.
Взаимодействие вещества с высокочастотным полем приводит к
резонансным явлениям в ферромагнетике, а его магнитная проницаемость является функцией частоты этого поля. Частотная зависимость компонент магнитной проницаемости называется магнитным
спектром феррита (см. лабораторную работу 3).
При изучении магнитных спектров ферритов с различным типом
структуры было установлено, что они имеют общие элементы. На
различных участках частотного спектра в процессе намагничивания
ферритов доминируют различные механизмы и соответственно потери обусловлены различными причинами.
На рис. 3.1 (см. лабораторную работу 3) представлен обобщенный
спектр ферритов. Области сильной дисперсии магнитной проницаемости охватывают в основном диапазон от 1 МГц до 10000 МГц. Для
ферритов с высокой кристаллографической анизотропией (гексаферриты типа M, Z, Y, N) дисперсия проницаемости может распространяться на диапазон миллиметровых волн (до 60…100 ГГц).
Общим элементом магнитных спектров ферритов является дисперсия μ
*
в диапазоне радиочастот (область II на рис. 3.1). Эту об-
ласть дисперсии связывают с процессами смещения границ доменов.
Уравнение Деринга, описывающее резонанс доменных границ,
рассмотрено в лабораторной работе 3. Решение этого уравнения, в
зависимости от выбранных магнитостатических или структурных
параметров феррита, приводит к резонансной или релаксационной
(
см. рис. 3.1) зависимости μ′ от частоты.
Частота, на которой наблюдается максимум радиопоглощения, обусловленный движением доменных границ, определяется выражением
74
,
1
M
μ
,
H
γ
(4).
S
M
U
Cω=γ
S
(6.3)
−
0
где С – величина, зависящая от типа доменной границы, ее толщины,
размера домена, параметра затухания прецессии спинов границы;
γ –
гиромагнитное отношение для электрона;
μ
– начальная магнитная проницаемость.
0
Третья область дисперсии магнитной проницаемости (область III
на рис. 3.1), наблюдаемая в СВЧ диапазоне, имеет типичный резонансный характер. Спад μ′ и подъем μ″ обусловлены в этой области
прецессией связанных спиновых магнитных моментов с некоторой
собственной частотой во внутреннем эффективном поле феррита
Н
.
эфф
Совпадение собственной частоты прецессии спинов с частотой
внешнего переменного поля приводит к появлению резонансных потерь, характеризующих естественный ферромагнитный резонанс
ЕФМР). Собственная частота максимума потерь при ЕФМР зависит
(
от величины и направления Н
. Наименьшая частота, для которой
эфф.
значительное количество спиновых магнитных моментов может принять участие в резонансе:
где Н
– внутреннее поле кристаллографической анизотропии; для
ан
большинства ферритов Н
Наличие доменной структуры в ферритах расширяет область
ЕФМР, смещая его верхнюю границу в сторону более высоких частот, вплоть до
Для ферритов со структурой граната и шпинели (кроме NiFe
СoFe
) Нан << 4πMS поэтому можно принять
2O4
Область дисперсии на ультравысоких частотах обусловлена обменным резонансом. Резонанс наступает при совпадении частоты
внешнего переменного поля инфракрасной области спектра с собственной частотой прецессии результирующего магнитного момента
ω=
min ан
эфф.
max
ω≈γπ
max
(6.4)
≈ Нан.
HMω=γ+π
ан S
4
(6.5)
и
2O4
. (6.6)
75
феррита во внутреннем молекулярном обменном поле. Эксперимен-
0
RR
1
μ
1
1
0
Z
Z
тальное наблюдение обменного резонанса весьма проблематично.
В реальных материалах основные области дисперсии μ* обычно не
разделяются. Наличие этих областей на магнитном спектре зависит
от всех механизмов дисперсии, которые характерны или превалируют в конкретном материале с определенными электромагнитными
свойствами. Поэтому на практике чаще наблюдаются однодисперсные, двухдисперсные спектры и реже – трехдисперсные.
Зависимость коэффициента отражения от параметров
ферритового слоя
Изучение
механизма дисперсии магнитной проницаемости ферри-
тов позволяет оценить возможность применения их в целях радиопоглощения, например, в качестве согласованной нагрузки в СВЧ тракте. При этом феррит должен иметь в определенном диапазоне частот
коэффициент отражения
, где R0 – заданный (допустимый)
<
уровень коэффициента.
Необходимым условием минимальной величины R является наличие в магнитном спектре μ (ω) широкого интервала частот, где зна-
чения μ″ превышают μ. Необходима также обратно пропорциональная зависимость μ′ от частоты, т.е.
′
≈
.
ω
Выражение для коэффициента отражения при нормальном падении электромагнитной волны на слой вещества имеет вид
Z
ф
−
Z
0
R
где
ф
– относительное полное входное сопротивление слоя.
=
, (6.7)
Z
ф
+
Z
0
Для изотропной среды с параметрами μ и ε выражение для R:
76
tg( ) 1
tg( ) 1
μ
μ
μ
i
2
μ
μ
μ<μ
0,13 0,19
1
0
R
iKd
ε
=
R
μ
iKd
ε−
, (6.8)
ε+
ε
μ
= μ′ + iμ″,
′′′
ε=ε + ε
Kπ=λ,
,
где d – толщина слоя; λ – длина волны.
Анализ выражения (6.8) для тонкого слоя (при d → 0
tgKd Kdε
→ε
) приводит к следующим условиям, которым
должны удовлетворять параметры феррита с R, не превышающим 10 %
в некотором диапазоне частот:
′′′
4
d
′′
<μ<
,
. (6.9)
λ
В другом предельном случае, т.е. в случае толстого слоя, услови-
ем полного согласования (R = 0) является выражение
μ
=
,
ε
которое практически трудно осуществить.
Представляет интерес анализ тонких слоев, в частности, пленочного (d → 0) радиопоглощающего покрытия. В результате соответствующего выбора толщины слоя d = d
диапазоне можно получить
При увеличении толщины слоя d по сравнению с d
действительная часть его входного полного сопротивления, а минимум коэффициента отражения для d > d
частот.
в заданном условиями (6.9)
0
.
R≤
увеличивается
0
сдвигается в сторону низких
0
77
Многочисленные исследования показали, что характер магнитных
0
RR
0
RR
К
0
RR
спектров ферритов, а следовательно и коэффициент отражения (его
величина и диапазон, в котором
<
) зависят от их химического
состава. Причем для ферритов, имеющих однодисперсионные спектры, неравенство
<
выполняется в более широком диапазоне
частот. Однодисперсионными спектрами, как правило, обладают
магнитомягкие ферриты, которые имеют в своем составе немагнитные катионы (например, Zn, Cd). Образование широкой области дисперсии у таких ферритов имеет место из-за наложения областей резонанса доменных границ и ЕФМР.
Введение немагнитных катионов в состав феррита способствует
уменьшению магнитной кристаллографической анизотропии (
магнитострикции насыщения (λ
ной проницаемости μ
. Поэтому при прочих равных условиях с
0
уменьшением анизотропии частоты ω и ω
стороны, с повышением значений μ
) и увеличению начальной магнит-
S
сближаются. С другой
рез
полоса дисперсии сдвигается в
0
⊥
) и
сторону низких частот, а магнитные потери растут. В соответствии с
этим и диапазон частот, в котором
, также смещается в длин-
<
новолновую область.
Для проведения работы используется аппаратура, описанная в ла-
бораторной работе 3.
6.3. Порядок проведения работы и указания
по охране труда
Указания
по технике безопасности приведены в лабораторной ра-
боте 3.
Измерение коэффициента отражения проводится по методике измерения магнитных спектров ферритов, изложенной в лабораторной
работе 3.
В указанном преподавателем частотном диапазоне настроить
1.
генератор и измерительную линию установки на минимальную частоту измерений, измерить и рассчитать значение КСВН, μ′, μ″, R для
серии образцов с толщиной от 1,5 до 5 мм. Результаты представить в
виде таблицы.
2.
Изменяя частоту с шагом 100…200 МГц, повторить эти измерения в других точках частотного интервала. При изменении частоты
следует особенно тщательно определять положение узла стоячей
волны Х
78
в пустой измерительной линии. Измерения нужно прово-
0
дить в одном и том же, желательно в первом (от образца) узле стоя-
maxm
A
чей волны независимо от частоты измерения.
Результаты наблюдений
f, МГц
1000
λ = 300,5 мм
1200
λ = 251,2 мм
d,
мм
0 300/1 17,1 859
2
3
4
6
0
2
3
A
КСВН Х
in
S,
1
мм
2
μ′ μ″
R
3. Измерить зависимость коэффициента отражения ферритов
ZnxFe2O4 от толщины слоя в заданном частотном диапазоне
Ni
1–x
(4500…6000
МГЦ, 3000…4500 МГц, 800…1800 МГц, 200…1000
МГц).
Определить оптимальную толщину ферритового слоя для полу-
4.
чения минимального отражения энергии в заданном частотном диапазоне.
Обработка результатов аналогична приведенной в лабораторной
работе 3.
6.4. Отчет о работе
должен включать:
Отчет
–
цель работы;
краткое теоретическое введение;
–
–
схему установки, расчетные формулы;
результаты эксперимента;
–
выводы.
–
79
Литература
Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.М. Физико-химические ос-
Левин
новы получения, свойства и применение ферритов. М.: Металлургия,
1989.
С. 329 – 332, 377 – 381.
Смит Я., Вейн Х. Ферриты. М.: ИЛ, 1962. Гл. 14. С. 50 – 54.
Контрольные вопросы
допуска к работе
Для
Что называется магнитным спектром феррита?
1.
2.
Что такое коэффициент отражения R, от чего он зависит?
Как измерить магнитный или диэлектрический спектр феррита?
3.
Каковы источники погрешностей при измерении комплексных
4.
проницаемостей феррита?
Чем обусловлены магнитные или диэлектрические потери в
5.
феррите?
6.
Как работает измерительная установка, какие требования
предъявляются к образцам?
Для защиты работы
Что такое резонанс доменных границ и каков его частотный ин-
1.
тервал?
2.
Что такое естественный ферромагнитный резонанс, в каком ин-
тервале частот можно ожидать ЕФМР?
Каким образом можно воздействовать на вид магнитного спек-
3.
тра феррита заданного состава?
Как выглядит диэлектрический спектр феррита?
4.
5.
Каким образом увеличить поглощение электромагнитных волн
в феррите на сантиметровом диапазоне?
Каким требованиям должен отвечать радиопоглощающий мате-
6.
риал?
Что такое композиционные РПМ и от чего зависят их свойства?
7.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]