Ответы с Ириными дополнениями, страница 13

Таким образом, толщина листового магнитного материала непо­средственно зависит от частоты переменного тока, при которой ра­ботает изделие, и каждой частоте соответствует определенная толщи­на листа, при которой полные магнитные потери минимальны.

Потери, вызванные магнитным последействием (магнитной вязко­стью), — это свойство магнитных материалов проявлять зависимость запаздывания изменения индукции, происходящее под действием изменяющегося магнитного поля, от длительности воздействия этого поля. Эти потери обусловлены в первую очередь инерционностью процессов перемагничивания доменов. С уменьшением длительно­сти приложения магнитного поля запаздывание и, следовательно, магнитные потери, вызванные магнитным последействием, увеличи­ваются, поэтому их необходимо учитывать при использовании маг­нитных материалов в импульсном режиме работы.

Мощность потерь Рмп, вызванную магнитным последействием, нельзя рассчитать аналитически. Она определяется как разность ме­жду удельными магнитными потерями Р и суммой потерь на гисте­резис Рт и вихревые токи Рт:

Рмп = Р - (Рг +Рвт). (14.16)

При перемагничивании в переменном поле имеет место отстава­ние по фазе магнитной индукции от напряженности магнитного поля. Происходит это в результате действия вихревых токов, препят­ствующих, в соответствии с законом Ленца, изменению магнитной индукции, а также из-за гистерезисных явлений и магнитного после­действия. Угол отставания называют углом магнитных потерь и обо­значают δм. Для характеристики динамических свойств магнитных материалов используют тангенс угла магнитных потерь tg δм. На рис. 14.12 представлена эквивалентная последовательная схема заме­щения и векторная диаграмма тороидальной катушки индуктивности с сердечником из магнитного материала. Активное сопротивление r₁, эквивалентно всем видам магнитных потерь, потерям в обмотке и

Рис. 14.12. Эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма катушки индуктивности с магнитным сердечникомэлектрической изоляции. Если пренебречь сопротивлением обмотки катушки и ее собственной емкостью, то из векторной диаграммы по­лучим

tg δм = r₁ / ω L = 1/Q (14.17)

где ω — угловая частота; L — индуктивность катушки; Q - доброт­ность катушки с испытуемым магнитным материалом.

Уравнение (14.17) показывает, что тангенс угла магнитных по­терь является величиной, обратной добротности катушки.

Индукцию, возникающую в магнитном материале под действием магнитного поля, можно представить в виде двух составляющих: одна совпадает по фазе с напря­женностью поля Bм₁ = Bм•cosδ, другая отстает на 90° от напряженности поля и равна Вм₁ = Вм•sinδ. При этом В_м1 связана с обратимыми процессами превращения энергии при перемагничивании, а В_м2 — с необратимыми. Для характеристики магнитных свойств материалов, применяемых в цепях переменного тока, наряду с другими харак­теристиками, используют комплексную магнитную проницаемость μ., которая равна

Μ = μ^/ - jμ^//, (14.18)

где j — мнимая единица (j = √-l); μ^/ — вещественная часть, или упругая магнитная проницаемость

μ^// — мнимая часть, или вязкая магнитная проницаемость, или проницаемость потерь

Отношение μ^// / μ^/ является тангенсом угла магнитных потерь tgδм

tgδм= μ^// /μ^/ (14.21)

26. Ферриты. Магнитные свойства тонких ферритовых плёнок.

Диамагнетики - материалы, в которых магнитный момент атома Мат равен нулю.

Диамагнетизм заключается в индуцировании внешним магнит­ным полем в электронных оболочках атомов, ионов или молекул магнитного момента.

Для диамагнетиков характерно то, что у них вектор намагничен­ности направлен против вектора внешнего намагничивающего поля.

Парамагнетизм наблюдается у материалов, атомы (ионы) которых имеют нечетное число электронов (кроме Си, Ag, Sb, Bi).

Атомы (ионы или молекулы) парамагнетиков в отсутствие внеш­него магнитного поля уже обладают собственным магнитным мо­ментом, который обусловлен нескомпенсированными в атомах спиновыми магнитными моментами электронов. Но поскольку взаи­модействие между магнитными моментами атомов (ионов или моле­кул) равно нулю или очень мало, их магнитные моменты расположе­ны беспорядочно (рис. 14.1, а), и результирующая намагниченность материала равна нулю.

При приложении магнитного поля магнитные моменты атомов парамагнетиков ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его, т. е. проявляется положительная намагничен­ность (km>0), вследствие чего они втягиваются в области с макси­мальной напряженностью магнитного поля.

Антиферромагнетики — это материалы, атомы (ионы) которых обладают магнитным моментом, обусловленным, как у пара- и фер­ромагнетиков, нескомпенсированными спиновыми магнитными мо­ментами электронов. Однако у антиферромагнетиков магнитные мо­менты атомов под действием обменного взаимодействия (у них обменный интеграл отрицательный; см. гл. 14.2.1) приобретают не параллельную ориентацию, как у ферромагнетиков, а антипарал­лельную (противоположную) (см. рис. 14.1, в) и полностью компен­сируют друг друга.

Pис. 14.1. Схематическое изображе­ние магнитных моментов атомов в от­сутствие внешнего магнитного поля в парамагнетиках (а), ферромагнетиках (б), антиферромагнетиках (в) и ферримагнетиках(г)

Ф ерромагнетизм является частным случаем парамагнетизма. У ферромагнетиков, как и у парамагнетиков, магнитные моменты ато­мов (ионов) обусловлены нескомпенсированными в них спиновыми магнитными моментами электронов. Однако у ферромагнетиков в отличие от парамагнетиков магнитные моменты атомов располо­жены не беспорядочно, а в результате обменного взаимодейст­вия (см. ниже гл. 14.2.1) ориентированы параллельно друг другу (рис. 14.1, б) с образованием магнитных доменов.

Магнитные домены представляют собой элементарные объемы ферромагнетиков, находящиеся в состоянии магнитного насыщения. В домене нескомпенсированные спиновые магнитные моменты электронов всех атомов выстроены параллельно друг другу. Домен­ная структура образуется в отсутствие внешнего магнитного поля в результате самопроизвольной (спонтанной) намагниченности, кото­рая происходит при температурах ниже некоторой так называемой точкой Кюри Тк. Для чистого железа Тк = 768°С, никеля Тк = 358°С, кобальта T=1131 С. Разбивка всего объема ферромагнетика на множество доменов энергетически выгодна. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов направлены так, что их результирующий магнитный момент равен или близок нулю. До­мены имеют размеры около 0,001 — 10 мм³ при толщине пограничных слоев между ними (границ) в несколько десятков ангстрем. В домен­ных границах происходит постепенное изменение направления век­тора намагниченности от одного домена к направлению вектора на­магниченности в соседнем домене.

Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипарал­лельно). Поскольку подрешетки образованы атомами (ионами) раз­личных химических элементов или неодинаковым их количеством, они имеют различные по величине магнитные моменты, направлен­ные антипараллельно (рис. 14.1, г). В результате появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному намагничиванию кристалла.

Таким образом, Ферримагнетики можно рассматривать как не­скомпенсированные антиферромагнетики. Свое название эти материа­лы получили от ферритов — первых нескомпенсированных антифер­ромагнетиков, а магнетизм ферритов назвали ферримагнетизмом.

Ферримагнетики, обладающие полупроводниковыми свойствами, называются ферритами.

Ферриты обладают высокой магнитной проницаемостью, малой ко­эрцитивной силой, большим значением индукции насыщения, но важ­нейшая их особенность состоит в том, что они обладают большим элек­трическим сопротивлением (р ~ 10³Ом•см). Это обстоятельство позво­ляет применять ферриты в области высоких частот, где обычные фер­ромагнетики обладают большими потерями, связанными с образовани­ем вихревых токов.

Для создания функциональных устройств наиболее перспективны ферриты в виде пленок. Специфика магнитных свойств тонких пленок определяется тем, что их линейные размеры в плоскости пленки значи­тельно превышают толщину. При определенной толщине пленка стано­вится однодоменной по толщине. В этом случае основным процессом перемагничивания будет однородное вращение, когда магнитные мо­менты одновременно поворачиваются по магнитному полю. Длительность этого процесса очень мала ~ 10^-9 с, что обеспечивает создание бы­стродействующих магнитных устройств. Магнитные пленки характеризуются также ярко выраженной маг­нитной анизотропией, которая определяется наличием в магнитной пленке двух осей намагничивания: ось легкого намагничивания, вдоль которой стремится установиться вектор намагничивания пленки, и ось трудного намагничивания, направленная перпендикулярно первой оси. Соответственно при перемагничивании по оси легкого намагничивания необходимо затратить существенно меньшую энергию, чем при пере­магничивании по оси трудного намагничивания. Энергия W_A, которую необходимо затратить, чтобы отклонить вектор намагниченности в плоскости пленки на угол θ от оси легкого намагничивания, определя­ется выражением W_A = Asin²Q, где А — константа анизотропии. При ма­лой толщине пленок направление легкого намагничивания обычно рас­положено в плоскости пленок, и образуются так называемые плоские домены, условно изображенные на рис. 2.15, а; ширина доменов из­меняется от долей до единиц микрон.

У некоторых ферритов наблюдается только одна ось легкого на­магничивания. Если поверхность монокристаллической пленки из тако­го материала перпендикулярна оси легкого намагничивания, то образуются домены другого вида — лабиринтного (см. рис. 2.15, б) с направ­лением спонтанной намагниченности, перпендикулярным поверхности пленки. Магнитное поле, нормальное к пленке, изменяет доменную структуру. Вначале уменьшается площадь доменов с вектором намагни­ченности, противоположным приложенному полю (см. рис. 2.15, в), и при некоторой величине поля они превращаются в цилиндры (см. рис. 2.15, г). Образуются устойчивые цилиндрические магнитные доме­ны (ЦМД) или «магнитные пузырьки». При дальнейшем росте внешнего магнитного поля диаметр ЦМД уменьшается, и, наконец, цилиндриче­ские домены исчезают и вся пленка намагничивается однородно.

Если в плоскости пленки создать неоднородное магнитное поле, то ЦМД будут перемещаться под его действием. Цилиндрические магнит­ные домены, существующие в определенных магнитных полях и управ­ляемые внешним полем, представляют особый интерес для создания логических и запоминающих функциональных устройств.