Магнитострикционные материалы.

Магнитострикция широко используется в технике. Прямой магнитострикционный эффект заключается в изменении размеров ферромагнитных тел при их намагничивании и размагничивании, а обратный состоит в том, что если намагниченный ферромагнетик подвергнуть воздействию внешних механических напряжений, вызывавших деформацию, то произойдет изменение намагниченности образца.

Явление магнитострикции используется для генерации и приема звуковых и ультразвуковых колебаний в акустоэлектронике, в гидролокации, для магнитострикционных реле и фильтров, резонаторов, стабилизаторов.

Широко распространены магнитострикционные датчики для измерения механических напряжений или деформаций. Например, сердечник из пермаллоя своими концами прикрепляется к поверхности исследуемой детали. На сердечнике имеется две обмотки: намагничивающая и измерительная. Если деталь будет деформироваться, то прикрепленный к ней сердечник датчика тоже деформируется и магнитный поток в нем изменяется. Это вызывает изменение ЭДС в измерительной обмотке, присоединенной к прибору, который предварительно проградуирован на значения механических напряжений или деформаций.

В качестве магнитострикционных материалов применяют никель, пермаллои, сплавы Fе-Co (пермендюры), железоалюминиевые сплавы, а также ферриты. Недавно обнаружено, что соединения тербия и железа имеют "гигантскую" магнитострикцию на два порядка выше, чем у известных материалов.

В табл. 5.3 даны значения магнитострикционной деформации при продольной магнитострикции для различных материалов при магнитном насыщении и нормальной температуре.

Таблица 5.3.

Материал
Пермаллой (45% Ni, 55% Fe)	27·10-6
Пермендюр (49% Co, 2% V, 45% Fe)	70·10-6
Феррит железа (магнетит) FeO·FeO	40·10-6
Соединение TbFe:
поликристалл	1200·10-6
монокристалл	2400·10-6

Магнитные пленки.

Магнитные пленки – это слои магнитного вещества толщиной от долей мкм, нанесенные на немагнитную подложку методом вакуумного испарения, катодного и магнетронного распыления, электролитического осаждения. В качестве подложки используются стекла, ситаллы, кварцевые пластины, немагнитные металлы, не покрытые или покрытые диэлектрической пленкой из SiO, Al₂O₃.

Наиболее часто применяются пленки из сплавов Fe-Ni, Fe-Ni-Co, Mn-Bi. Диапазон толщин пленок обусловлен тем, что при больших толщинах пленки приближаются по свойствам к массивным образцам, а при значительно меньших толщинах ферромагнетизм постепенно исчезает. Если нанесение пленки на подложку производится в магнитном поле, действующем в плоскости пленки, то последняя приобретает одноосную магнитную анизотропию с осью легкого намагничивания, направленной вдоль поля. Пленка с одноосной магнитной анизотропией, намагниченная вдоль оси легкого намагничивания, имеет прямоуголь­ную петлю гистерезиса с двумя устойчивыми состояниями +B_r и -В_r. Перемагничивание магнитных пленок может происходить за счет смещения границ доменов, вращения вектора намагниченности.

Магнитные пленки имеют большое практическое значение, на их основе изготовляются запоминающие и логические элементы ЭВМ.

Особый интерес представляют монокристаллические пленки некоторых ферритов с одноосной магнитной анизотропией, т.е. имеющие одну ось легкого намагничивания.

Если плоскость пленки перпендикулярна оси легкого намагничивания, то в отсутствии внешнего поля пленка обладает полосовой доменной структурой (рис.5.25, а), которая соответствует минимуму свободной энергии. При приложении внешнего поля H в направлении, перпендикулярном плоскости пластины, за счет смещения границ доменов увеличиваются те домены, самопроизвольная намагниченность которых совпадает с направлением поля, и уменьшаются те, намагниченность которых противоположна направлению поля.

Когда поле достигает определенной критической величины, уменьшающиеся домены переходят в цилиндрические магнитные домены (ЦМД), так как такая структура энергетически более выгодна (рис.5.25, б). При дальнейшем увеличении поля ЦМД сначала уменьшаются, а затем исчезают, и пластина оказывается однородно намагниченной вдоль поля.

С помощью различных методов можно перемещать ЦМД в заданных направлениях, генерировать и уничтожать их, регистрировать их наличие или отсутствие, что соответствует передаче, записи, стиранию исчитыванию информации. ЦМД получают в ортоферритах, ферритах со структурой граната и некоторых металлических магнитных пленках.

СВЧ ферриты.

В диапазоне СВЧ (от сотен МГц до десятков ГГц) для передачи электромагнитной энергии применяет волноводы, коаксиальные и полосковые линии передачи. Если поместить внутрь волновода феррит, то в результате взаимодействия феррита с проходящей электромагнитной волной можно изменить структуру поля и скорость распространения волн, зависящие от электрических и магнитных свойств СВЧ феррита.

Так как магнитными параметрами феррита можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, они являются основой многих важных приборов СВЧ техники: фазовращателей, вентилей, циркуляторов, фильтров, модуляторов, умножителей частоты.

Наряду с основными параметрами – точкой Кюри, начальной магнитной проницаемостью, удельным электрическим сопротивлением – для СВЧ ферритов указывают намагниченность насыщения, диэлектрическую проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и др.

Ферриты СВЧ должны удовлетворять ряду специфических требований, основные из которых – высокая активность материала куправляющему полю (возможность управления относительно слабым полем), высокое удельное электрическое сопротивление (10⁵–10¹¹Oм·м) и целоезначение tgδ (0,0001–0,001), температурная стабильность свойств иболее высокое значение точки Кюри.

В качестве СВЧ ферритов используют литиевые, магниевые, никелевые ферриты, феррогранаты иттрия.

ВОПРОСЫ

5.8.1. Чем объясняются магнитные свойства различных материалов?

5.8.2. Классифицируйте материалы по их магнитным свойствам.

5.8.3. Какие материалы являются диамагнетиками и, каковы их магнитные свойства?

5.8.4. Какие материалы являются парамагнетиками и, каковы их магнитные свойства?

5.8.5. Какие материалы являются ферромагнетиками и, каковы их магнитные свойства?

5.8.6. Каковы магнитные свойства антиферромагнетиков?

5.8.7. Каковы магнитные свойства ферримагнетиков?

5.8.8. Назовите магнитные свойства сверхпроводников в сверхпроводящем состоянии.

5.8.9. Какие материалы используются в электротехнике в качестве магнитных материалов? Как они классифицируются с точки зрения применения в электротехнике?

5.8.10. Назовите основные свойства магнитных материалов.

5.8.11. От каких факторов зависит магнитная проницаемость магнитных материалов?

5.8.12. Как связаны магнитные свойства материалов с их структурой?

5.8.13. Могут ли ферромагнитные домены ориентироваться в направлении внешнего магнитного поля?

5.8.14. Как связана доменная структура с кривой намагничивания?

5.8.15. Как и почему в магнитных материалах проявляются гистерезисные явления?

5.8.16. Почему при циклическом перемагничивании магнитных материалов возникают магнитные потери? Каковы механизмы возникновения магнитных потерь?

5.8.17. Как уменьшить магнитные потери в магнитных материалах?

5.8.18. Как проявляется анизотропия свойств магнитных материалов?

5.8.19. В чем заключается явление магнитострикции? В каких материалах оно более всего проявляется и, для каких целей используется?

5.8.20. Как влияет на свойства магнитных материалов их механическая и термическая обработка?

5.8.21. Можно ли из магнитных материалов изготовить тонкие пленки? Для каких целей они используются?

5.8.22. Могут ли иметь ферромагнитные свойства сплавы неферромагнитных металлов?

5.8.23. Может ли резина иметь ферромагнитные свойства?

5.8.24. Чистое железо относится к самым высококачественным магнитомягким материалам. Можно ли из него изготовить постоянный магнит?

5.8.25. Могут ли магнитные материалы стареть?

5.8.26. Какие свойства имеют магнитомягкие материалы? Как они классифицируются?

5.8.27. Каковы свойства технически чистого железа и его использование?

5.8.28. Что такое листовые электротехнические стали?

5.8.29. Какие магнитомягкие материалы имеют высокое значение магнитной проницаемости в слабых магнитных полях?

5.8.30. Какой магнитный материал имеет наибольшую индукцию насыщения?

5.8.31. Как используются материалы с сильной зависимостью магнитной проницаемости от температуры?

5.8.32. Какие магнитомягкие ферриты являются важнейшими?

5.8.33. Каковы достоинства и недостатки ферритов по сравнению с классическими материалами?

5.8.34. Как влияет на свойства ферритов температура?

5.8.35. Какие магнитные материалы имеют прямоугольную петлю гистере-зиса?

Библиографический список

1. Вавилов В.Д., Поздяев В.И. Конструирование интегральных датчиков. М.: Изд-во МАИ, 1993.

2. Климов Д.М., Васильев А.А., Лучинин В.В., Мальцев П.П. Перспективы развития микросистемной техники в ХХI веке// Микросистемная техника. 1999. №1.

3. Мельников В.Е., Обухов В.И. и др. Авт. cвид. № 535513 // Бюллетень изобретений. 1976. № 42.

4. Обухов В.И. Технология интегральных измерительных преобразова-телей: Учеб. пособие/НГТУ. Н. Новгород, 1994.

5. Обухов В.И. Применение кварцевого струнного преобразователя для измерения усилий и его технологические погрешности//Авиационные приборы и устройства: С. науч. тр. М.: Изд-во МАИ, 1980.

6. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. М.: Высшая школа, 1986.

7. Стронг Д. Техника физического эксперимента: Пер. с англ. /Под ред. Б.А. Остроумова. Л.: Лениздат, 1948.

8. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982.

9. Материалы микроэлектронной техники/ Под ред. В.М. Андреева. М.: Высшая школа, 1989.

10. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого. Т. 1, 2, 3. Л.: Энергоатомиздат, 1986 - 1987.

11. Peterson K.E. //Proc/ IEEE. 1982. №70.

12. Материалы для авиационного приборостроения и конструкций /Под ред. А.Ф. Белова. М.: Металлургия, 1982.

13. Материалы в приборостроении и автоматике: Справочник /Под ред. Ю.М. Пятина. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1982.