СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Исторический обзор развития магнитомягких материалов
1. Основы классификации магнитных материалов
1.1. Классификация веществ по магнитным свойствам
1.2. Классификация магнитных материалов
1.3. Особенности ферримагнетиков
2. Сведения о магнитомягких материалах
2.1. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей
2.2. Магнитомягкие высокочастотные материалы
2.3. Ферриты
2.4. Магнитные материалы специализированного назначения
3. Применение ферритов
3.1. Ферритовые сердечники
3.2. Запоминающие и переключающиеся цепи
3.3. Принципы действия запоминающих и переключающихся цепей с сердечниками с ППГ
3.4. Требования к сердечникам с ППГ. Критерии прямоугольности
4. Получение ферритов
4.1. Основные технологические схемы изготовления ферритов
4.2. Исходное сырье и материалы, применяемые для изготовления ферритов
5. Методы испытания ферритов
5.1. Механические испытания ферритов
5.2. Способы измерения и контроля магнитных свойств ферритовых материалов и изделий из них
5.2.1. Методы измерения статических свойств ферритовых изделий
5.2.2. Методы измерения импульсных свойств ферритовых изделий и способы их автоматизации
Выводы
Содержание

ВВЕДЕНИЕ. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

История современных магнитомягких материалов начинается с практического применения переменного электрического тока - изобретения телефона. При увеличении дальности телефонной связи изучались возможности ограничения увеличивающегося затухания телефонных токов. В 1893г Хевисайд предложил использовать катушки с сердечниками из мелких стальных опилок и воска, которые должны были ограничить растущее затухание на линии. В период с 1893 по 1900 г были выяснены основные требования к магнитомягким материалам для техники связи: малые потери, малое искажение передаваемых токов и напряжений, высокая магнитная проницаемость. С изобретением асинхронной машины и развитием однофазной и многофазной систем переменного тока требования к магнитомягким материалам еще более возросли. От них стали требовать больших значений индукции насыщения, малых потерь на гистерезис и вихревые токи, и меньшего старения, чем у использовавшейся в то время низкоуглеродистой стали. В конце прошлого столетия было замечено благоприятное влияние присадки кремния на магнитные свойства чистого железа. Так, например, удельные потери листовой стали снизились примерно в 3 раза. Поэтому в производстве магнитных материалов для электротехники низкоуглеродистая сталь стала заменяться на кремнистую. Снижение индукции насыщения при введении кремния дало толчок к поискам легирующих элементов, которые, наоборот, увеличивали бы индукцию насыщения. Магнитные материалы, образующие большую группу пермаллойных сплавов на железо-никелевой основе, открыл и описал в 1921 г Elmen. К этой работе его побудило именно желание найти сплав с высокой магнитной индукцией. Он хотел обойтись без дефицитного кобальта, влияние которого на увеличение индукции насыщения было открыто им же. К этому периоду относится и первое применение пермаллоя в технике связи при конструировании телеграфного реле. Другой пермаллойный сплав - му-металл, который долго являлся материалом с наибольшей проницаемостью, был разработан в 1927 г в Германии. С этого времени начинается интенсивная и очень успешная работа над улучшением качества металлических магнитных материалов. Для высокочастотных цепей в сердечниках долгое время применялся так называемый феррокарт. Это было торговое название материала, изготовленного из прессованых слоев бумаги и слоев мелкого железного порошка с лаком в качестве связки. В 1928 г в Германии из пентакарбонила железа был изготовлен железный порошок с величиной частиц от 1 до 10 мкм, использованный для изготовления часто применяемых в виде колец и стержней карбонильных сердечников. В 1930 г, в Англии были изготовлены сердечники из порошка пермаллоя, превосходящего по свойствам карбонильные сердечники. Однако такие сердечники могла выпускать лишь страна, для которой вопрос дефицитности сырья не был решающим. Поэтому в других странах усиленно разрабатывались материалы для сердечников из доступного сырья. Такой материал был найден в 1935 г в Японии Х.Масумото и известен по названием альсифер. Он представляет собой сплав на основе железа, легированный кремнием и алюминием. Новые высокие требования электротехники могут быть выполнены только новыми видами магнитных материалов. Систематические экспериментальные исследования металлических материалов, начатые 50-60 лет назад, почти исчерпали свои возможности. Из простых, двойных и более сложных сплавов были использованы самые лучшие. Совершенствовались технологические процессы, были применены плавка и отжиг. Новые свойства материалы получили при термомагнитной обработке, действие которой известно со времени, когда отыскивали средства увеличения индукции насыщения кремнистой стали. В настоящее время наибольшее внимание уделяется ферритам. В 1936 г научные исследования начала лаборатория фирмы Philips. Практический опыт и теоретические знания в области ферромагнетизма, полученные в предыдущих 7 десятилетиях дали возможность вести работу по исследованию ферритов и технологии их производства на совершенно иной основе. Ферриты ведут свое происхождение от магнитного железняка - естественного постоянного магнита, известного на протяжении всей истории культуры человечества. Несмотря на это, в начале развития техники связи отыскивали новые виды магнитных материалов искусственного состава, хотя магнитный железняк благодаря своей малой электропроводности, а следовательно, малым потерям в переменных магнитных полях и казался пригодным для применения. Однако магнитные свойства магнитного железняка в его природном виде не совсем пригодны для технического применения. Чтобы понять, почему идея применения магнитного железняка была отодвинута почти на 30 лет, приведем краткий обзор прежних взглядов и их использования при разработке новых видов магнитных материалов.
Большинство необъяснимых природных явлений в т.ч. и ферромагнетизм, объяснялось прежде проявлением "флюидов". Такое объяснение магнитных явлений в начале XVII столетия давал В.Гильберт. Под влиянием открытия магнитного действия электрического тока, сделанного в 1820 г Эрстедом, А.Ампер в 1822 г для объяснения причины магнетизма предложил теорию молекулярных токов. Однако Ампер не мог объяснить, почему молекулярные токи не нагревают магнитный материал и где возникает напряжение, вызывающее эти токи. Поэтому эта теория потеряла значение. На исходе 19 ст Ewing подтверждает представления Вебера о молекулярных магнитах, по которым каждая молекула и каждый атом имеют собственные магнитные поля. Из большого числа магнитных стрелок, размещенных в пространстве и легко вращающихся вокруг своей оси, он построил модель, на которой можно было снять кривую намагничивания. Этим была подтверждена связь молекулярных магнитов с магнетизмом. При намагничивании модели Ewing наблюдал взаимное влияние магнитных стрелок. В это время он высказывал предположение о взаимодействии молекулярных магнитов. F.Bitter и P.Weiss развили теорию Вебера дальше. Они считали, что группы большого числа согласно ориентированных атомов образуют домены (области) размером нескольких микронов, являющиеся аналогией магнитных стрелок Ewing'а. Эти домены самопроизвольно намагничены до полного насыщения, которое нельзя ни увеличить, ни уменьшить. Для каждого вида магнитного материала имеется определенная величина самопроизвольной (спонтанной) намагниченности и напряженности магнитного поля, при которой домены взаимодействуют между собой так, что изменяется направление вектора спонтанной намагниченности. Чем больше спонтанная намагниченность, тем больше индукция насыщения материала. Чем легче осуществляется действие внешнего поля на домены, тем меньшая напряженность поля необходима для перевода векторов намагничивания доменов из хаотического неупорядоченного состояния в положение, когда они совпадают с направлением этого поля, а следовательно, тем больше будет магнитная проницаемость материала, т.е. величина, выражающая пропорциональность между индукцией и напряженностью поля. На основе этих представлений можно хорошо понять современные взгляды на процесс намагничивания магнитных материалов (см рис.1). В ненамагниченном материале домены ориентированы совершенно хаотически. Отдельные домены образуют друг с другом замкнутые магнитные цепи, так что вне материала не ощущается магнитного эффекта. При воздействии небольшого внешнего поля домены с более выгодной ориентацией относительно направления внешнего магнитного поля увеличивают свои размеры за счет доменов с менее выгодной ориентацией. Выгодным, легким направлением намагничивания является такое направление, при котором ориентированные домены имеют минимальную энергию. Следовательно, это такое направление, при котором домены под влиянием внутреннего размещения атомов в кристаллах, внешних и внутренних механических сил и направляющего действия внешнего магнитного поля имеют минимальное взаимодействие. Изменение размеров доменов на этой стадии намагничивания происходит путем смещения их взаимных границ. Граничная зона носит название стенки Блоха по имени открывшего это явление F.Bloch. Эти изменения обратимы, т.е. при исчезновении внешнего магнитного поля наступает обратное распадение доменов.
При дальнейшем увеличении внешнего магнитного поля до определенного значения рост доменов путем смещения стенок происходит скачком. У поликристаллических материалов при изменении магнитного поля в этой фазе

Рис.1 Стадии цикла намагничивания ( Формы петель гистерезиса при различных напряженностях максимального поля). Справа показаны границы доменов и направление векторов их спонтанного намагничивания в том же месте образца в различных стадиях намагничивания.
1-направление внешнего поля; 2-область вращения стенок; 3-область необратимых смещений стенок; 4-область обратимых смещений стенок; 5-размагниченный образец.

образуются вторичные домены, границы которых, так же, как и в исходном состоянии, образуются загрязнениями, включениями и т.п., но объем которых и их размещение совершенно иные, чем в исходном состоянии. Изменения размеров доменов в этой стадии намагничивания необратимы. Смещениям стрелок скачком соответствуют самые крутые части кривой намагничивания. В результате этих изменений кривая намагничивания не получается плавной. Если ее можно было бы подробно снять, то под микроскопом она казалась бы ступенчатой. Под влиянием возрастающего внешнего поля векторы намагничивания доменов поворачиваются в направлении внешнего поля. Эти изменения также обратимы. При уменьшении магнитного поля прежде всего векторы намагничивания доменов поворачиваются в первоначальном направлении. Потом происходят обратимые смещения стенок и, наконец, необратимые смещения стенок, которые наступают уже при изменении направления поля.
Экспериментальная проверка этих идей основывалась на двух предположениях. ступенчастость кривых намагничивания в самой крутой части, возникающая при смещении стенок скачком, при достаточном усилении дожна сопровождаться шумом. Это доказал в 1919 г H.Barkhausen. Другой вывод, который можно экспериментально проверить, подтвердили через 11 лет в 1930 г Н.С. Акулов и F.Bitter. Они исходили из предположения, что на границе доменов, где одно направление намагничивания переходит в другое, возникает магнитное поле рассеяния, в которое должны втягиваться мелкие частицы ферромагнитного материала. Опыт удался на тщательно отшлифованных и специально полированных образцах. При помощи суспензии окиси железа стали видимыми домены и границы между ними. Идея Weiss'a была подтверждена. Однако не были выяснены причины, которые вызывают ориентацию атомов в эти домены.
Электронная теория, возникшая в начале XX ст, была использована Н.Бором для построения модели атома. Вращающиеся электроны в модели атома 1912 г соединяют теорию молекулярных токов Ампера с электронной теорией. Различие между фактическим магнитным моментом магнитных атомов и магнитным моментом, который могли бы вызвать вращающиеся электроны, было объяснено введением спинового магнитного момента самого электрона. Предположение о внутриатомных обменных силах, введенное W.Heisenbеrg'ом, объясняет возникновение доменов. Только те атомы, которые, кроме известных гравитационных, магнитных и электрических сил, связаны этой предполагаемой силой, могут быть магнитными. Интересно, что эти обменные силы могут возникать и у сплавов из немагнитных элементов. Возвратимся опять к магнитному железняку. В то время, когда делались попытки найти хороший магнитный материал для сердечников цепей переменных токов, не были ясны представления о магнетизме элементов и сплавов, а тем более соединений каким является магнитный железняк. Магнетизм связывался с хорошей электропроводностью металлов. Кроме того, работа с металлическими элементами была более удобной. Магнитный железняк был забыт более чем на 20 лет. В то время изучалась атомная структура магнитных элементов и сплавов. При этих работах было объяснено влияние различных легирующих элементов и влияние загрязнений. Изучался магнетизм монокристаллов.

1. ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.
К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников ( кремний, германий, соединения А3В5, А2В6) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.
К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля.К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.
К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.
Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Tm и др.). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п.
К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов.
Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом,- различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.

1.2. Классификация магнитных материалов

Применяемые в электронной технике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие.В отдельную группу выделяют материалы специального назначения.
К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой Нс. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат для изготовления постоянных магнитов.
К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п.
Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Нс < 800 А/м, а магнитотвердыми - с Нс > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м. По масштабам применения в электронной технике среди материалов специального назначения следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.
Внутри каждой группы деление магнитных материалов по родам и видам отражает различия в их строении и химическом составе, учитывает технологические особенности и некоторые специфические свойства.

Рис.2 Классификация магнитных материалов

Свойства магнитных материалов определяются формой кривой намагничивания и петли гистерезиса. Магнитомягкие материалы применяются для получения больших значений магнитного потока. Величина магнитного потока ограничена магнитным насыщением материала, а потому основным требованием к магнитным материалам сильноточной электротехники и электроники является высокая индукция насыщения. Свойства магнитных материалов зависят от их химического состава, от чистоты используемого исходного сырья и технологии производства. В зависимости от исходного сырья и технологии производства магнитомягкие материалы делятся на три группы: монолитные металлические материалы, порошковые металлические материалы (магнитодиэлектрические) и оксидные магнитные материалы, кратко называемые ферритами.
1.Монолитные металлические материалы.
Основными компонентами монолитных металлических магнитомягких материалов является железо с низким содержанием углерода, никель или кобальт. Для цепей техники связи важнейшими из этой группы материалов являются:
а) сплавы и стали с гарантированной малой коэрцитивной силой;
б) листовая сталь с гарантированными потерями при высоких значениях магнитной
индукции;
в) сплавы с гарантированной индукцией насыщения;
г) сплавы и стали с гарантированной высокой проницаемостью;
д) материалы со специальнымы свойствами.
Материалы первой подгруппы предназначены, например, для реле. К ним относятся сталь с минимальным содержанием углерода, низколегированная кремнистая сталь и сплавы железа с никелем.
Вторую подгруппу материалов образует кремнистая сталь, применяемая для сердечников сетевых трансформаторов.
Материалы третьей подгруппы включают в себя сплавы железа с кобальтом.
Материалами с гарантированной проницаемостью являются низкоуглеродистые стали с присадкой 3-4,5% кремния и сплавы на основе никеля.
К подгруппе специальных материалов относятся материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, магнитострикционные материалы и т.п.
2.Порошковые металлические материалы.
Применение порошковых материалов, т.е. так называемых магнитодиэлектриков, основывается на технических и экономических соображениях. Магнитодиэлектрические сердечники имеют некоторые свойства, которых нельзя достичь у материалов первой группы. Они пригодны для высокочастотной техники. Прокатка листовых материалов толщиной менее 0,05 мм обходится очень дорого, а при толщине 0,03 мм цена таких материалов превышает цену золота.
Для уменьшения потерь на вихревые токи и увеличения стабильности магнитных свойств применяются порошковые магнитные материалы. Увеличение удельного электрического сопротивления достигается здесь изоляцией магнитных зерен друг от друга. Окончательная форма придается изделию прессованием. К этой группе относятся:
а) магнитодиэлектрические сердечники;
б) материалы со специальными свойствами.
В зависимости от исходного сырья магнитодиэлектрические сердечники делятся на сердечники из железных порошковых материалов и сердечники из легированного железа. Основу железных порошковых материалов составляет железо, получаемое обычно карбонильным способом. Легированные материалы представляют собой сплавы железа, и алюминия (альсифер) и сплавы железа и никеля или железа, никеля и молибдена (пермаллой и молибденовый пермаллой).
К специальным порошковым металлическим материалам относятся, например, магнитный порошок для магнитофоной ленты и других магнитных носителей информации.
3.Оксидные материалы - ферриты.
Ферриты представляют собой химические соединения, в общем случае имеющие формулу МFe2O4, где М - чаще всего двухвалентный ион металла, например, Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Co и Mn. В отличие от порошковых сердечников ферриты представляют собой монолитные материалы. Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в кубической системе и имеют структуру шпинели - минерала состава MgAl2O4. Чаще всего применяются ферриты следующих типов:
MnO*ZnO x 2Fe2O3 - марганцево-цинковый феррит;
Nio*ZnO x 2Fe2O3 - никель-цинковый феррит;
MgO*MnO*2Fe2O3 - магний-марганцевый феррит.
Ферриты имеют высокое удельное электрическое сопротивление порядка 10-109 Ом*см и благодаря этому низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20-25% от индукции насыщения железа.
Ферриты делятся на три подгруппы:
а) ферриты с гарантированными потерями и проницаемостью;
б) ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса;
в) ферриты со специальными свойствами.
Марганец-цинковые ферриты по сравнению с никель-цинковыми имеют меньшие потери. Оба эти вида ферритов относятся к первой подгруппе. Т.к. никель-цинковые ферриты имеют более высокое электрическое сопротивление, то их целесообразно применять в области частот от 500 кГц до 200 МГц и выше, т.е. для цепей высокочастотной техники. Магний-цинковые ферриты предназначены для применения в диапазоне от звуковых частот до нескольких МГц.
Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса бывают никель-цинковыми или магний-марганцевыми. В технике УКВ также применяются магний-марганцевые ферриты, однако соотношение отдельных составных частей в тройной системе отличается от состава магний-марганцевых ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса. Эти ферриты вместе с магнитострикционными материалами относятся к группе материалов со специальными свойствами.
Благодаря своим свойствам, ферриты имеют очень широкий диапазон применения. В настоящее время ферриты применяются в производстве реле,сетевых трансформаторов устройств связи, дросселей, электромеханических преобразователей и резонаторов и т.п. Однако наибольшее распространение ферриты получили в производстве сердечников для катушек (феррокатушек), запоминающих и переключающих цепей и т.п.

1.3. Особенности ферримагнетиков

Строение ферримагнетиков. Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения окисла железа Fe2O3 с окислами других металлов. В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свойствам.
Наиболее широкое применение нашли ферриты со структурой природного минерала шпинели. Химический состав ферритов-шпинелей отвечает формуле МеFe2O4, где под Ме понимают какой-либо двухвалентный катион. На примере этих соединений рассмотрим наиболее характерные особенности магнитных свойств ферримагнетиков.
Исследования показывают, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой материалов и, в частности, расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. Элементарная ячейка шпинели представляет собой куб, в состав которого входит восемь структурных единиц типа МеFe2O4, т.е. 32 иона кислорода, 16 ионов трехвалентного железа и 8 ионов двухвалентного металла. Кислородные ионы расположены по принципу плотной кубической упаковки шаров. При этом возникают междуузлия двух типов: тетраэдрические, образованные окружением четырех ионов, и октаэдрические, образованные окружением шести ионов кислорода. В этих кислородных междуузлиях находятся катионы металлов. Всего в элементарной ячейке шпинели может быть заполнено 8 тетраэдрических промежутков (назовем их позициями типа А) и 16 октаэдрических мест ( позиции типа В).
Структуру, в которой все катионы двухвалентного железа занимают позиции типа А, а катионы трехвалентного железа распределяются в междуузлиях типа В, называют нормальной шпинелью. Учитывая такой характер распределения катионов по кислородным междуузлиям, формулу феррита со структурой нормальной шпинели можно представить в следующем виде:

(Мe2+)[Fe3+Fe3+]O4

где в круглых скобках указаны ионы, занимающие позиции типа А, а в квадратных - ионы в позициях типа В. Стрелками условно показано направление магнитных моментов катионов. В структуре нормальной шпинели кристаллизуются ферриты цинка (ZnFe2O4) и кадмия (CdFe2O4). Как будет показано далее, ферриты со структурой нормальной шпинели немагнитны.
Чаще встречаются ферриты с иным характером распределения катионов по кислородным междуузлиям. Структура, в которой катионы Ме2+ находятся в позициях типа В, а катионы трехвалентного железа поровну распределяются между позициями А и В, получила название обращенной шпинели. Формулу обращенной шпинели с учетом распределения катионов можно записать в виде:

(Fe3+)[Me2+Fe3+]O4

Структуру обращенной шпинели имеют ферриты никеля, кобальта, меди и некоторых других элементов.
Большинство реальных ферритов характеризуется некоторым промежуточным распределением катионов, когда и ионы Ме2+, и ионы трехвалентного железа Fe3+ занимают позиции того и другого типов. Такие структуры называют амфотерной шпинелью. Промежуточному распределению катионов соответствует структурная формула

(Me2+1-x Fe3+x)[Me2+x Fe3+1-x]O4

где параметр х характеризует степень обращенности шпинели. Структуре нормальной и обращенной шпинели отвечают значения х, равные, соответственно, нулю и единице.
Природа магнитного упорядочения. В ферритах магнитоактивные катионы находятся достаточно далеко друг от друга, поскольку разделены анионами кислорода, не обладающими магнитным моментом. Поэтому прямое обменное взаимодействие между катионами оказывается очень слабым или отсутствует вообще. Их электронные оболочки практически не перекрываются.

2. СВЕДЕНИЯ О МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛАХ

2.1. Магнитомягкие материалы для постоянных и
низкочастотных магнитных полей

Основные требования к материалам. Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Выполнение этого требования позволяет уменьшить габаритные размеры и массу магнитной системы.
Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и вихревые токи.
Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением. Обычно магнитопроводы собирают из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой изоляцией из диэлектрического лака. К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности, благодаря которой облегчается процесс изготовления изделий из них.
Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств как во времени, так и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость (особенно в слабыз полях) и коэрцитивная сила.
Железо и низкоуглеродистые стали. Основным компонентом большинства магнитных материалов является железо. Само по себе железо в элементарном виде представляет собой типичный магнитомягкий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения ( около 2,2 Тл).
Особо чистое железо (электролитическое, карбонильное), содержащее малое количество примесей (менее 0,05%), получают двумя сложными способами.
Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, а катодом - пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4-6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах; подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме.
Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа согласно уравнению
Fe(CO)5 = Fe + 5CO
Пентакарбонил железа представляет собой продукт воздействия окиси углерода на железо при температуре около 200?С и давлении примерно 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его удобным для изготовления прессованных магнитных сердечников. В карбонильном железе отсутствуют кремний, фосфор и сера, но содержится углерод.
Магнитные свойства различных видов чистого железа приведены в табл.1 ). Примеси относительно слабо влияют на магнитные свойства железа, если их концентрация ниже предела растворимости. Низким пределом растворимости в железе обладают углерод, кислород, азот и сера. Соответственно, эти примеси оказываются и наиболее вредными. При охлаждении металла после термообработки такие примеси из-за ограниченной растворимости выделяются в виде микровключений побочных фаз, которые затрудняют смещение доменных границ в слабом магнитном поле.
Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но и от структуры материала, размера зерен, наличия механических напряжений. Из табл.1 видно, что магнитные свойства даже лучших промышленных разновидностей железа далеки от того, чего можно добиться, используя современные технологические методы получения чистых и однородных по структуре материалов.

Магнитная проницаемость Коэрцитивная Индукция Удельное со-
Материал начальная максимальная сила, А/м насыщения Тл противление, мкОм*м
Технически чистое железо 250 - 400 3500 - 4500 50 - 100 2,18 0,1
Электролитическое железо 600 15000 30 2,18 0,1
Карбонильное железо 2000 - 3000 20000 - 21500 6,4 2,18 0,1
Монокристалл чистейшего железа >20000 1430000 0,8 - 0,097
Электротехническая сталь 200 - 600 3000 - 8000 10 - 65 1,95 - 2,02 0,25 - 0,6
Низконикелевый пермаллой 1500 - 4000 15000 - 60000 5 - 32 1,0 - 1,6 0,45 - 0,9
Высоконикелевые пермаллои 7000 - 100000 50000 - 300000 0,65 - 5 0,65 - 1,05 0,16 - 0,85

Табл.1 Некоторые свойства магнитомягких ферромагнитных материалов.

Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используют довольно редко, в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.
Обычное техническичистое железо изготавливают рафинированием чугуна в мартеновских печах или в конверторах; оно имеет суммарное содержание примесей 0,08-0,1%
Кремнистая электротехническая сталь (по ГОСТу электротехническая тонколистовая) является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали за счет химического связывания кислорода в SiO2. Последний в виде шлака выделяется из расплава. В результате легирование кремнием приводит к увеличению магнитной проницаемости, уменьшению коэрцитивной силы и снижению потерь на гистерезис. Положительное влияние кремния на магнитную проницаемость стали обусловлено также уменьшением констант магнитной анизотропии и магнитострикции. У стали с содержанием кремния 6,8% константа магнитной анизотропии в три раза меньше, чем у чистого железа, а значение магнитострикции практически равно нулю. При таком содержании кремния сталь обладает наибольшей магнитной проницаемостью. Однако промышленные марки электротехнической стали содержат не более 5% кремния. Это объясняется тем, что кремний ухудшает механические свойсва стали, придает ей хрупкость и ломкость. Такая сталь непрригодна для штамповки. Кроме того, при введении кремния несколько уменьшается индукция насыщения (примерно 0,05 Тл на 1% Si), так как кремний является немагнитным компонентом. Вместе с тем легирование кремнием повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.
Свойства стали значительно улучшаются за счет образования магнитной текстуры при холодной прокатке и последующего отжига в водороде.
При холодной прокатке происходит сильное обжатие материала; возникающие деформации вызывают преимущественную переориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре 900-1000?С не только снимает внутренние механические напряжения, но и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен). Получается так называемая ребровая текстура.
Текстурованная сталь анизотропна по свойствам: вдоль напрвления прокатки наблюдается существенно более высокая магнитная проницаемость и меньшие потери на гистерезис. Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты. Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его. Сталь различных классов предназначается для изготовления магнитных цепей аппаратов, трансформаторов, электричекских машин. Применение ленточных сердечников из текстурованной стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить их массу и габаритные размеры на 20-25%, а в радиотрансформаторах - на 40%.
Листы тонкого проката предназначены в основном для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц). Использование листовых и ленточных сердечников на частотах выше 1 кГц возможно лишь при существенном ограничении магнитной индукции, так, чтобы суммарные потери не превышали допустимого предела. По условиям нагрева и теплоотвода предельно допустимыми принято считать удельные потери 20 Вт/кг.
Низкокоэрцитивные сплавы. Пермаллои - железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой. Пермаллои подразделяют на высоко- и низконикелевые. Высоконикелевые пермаллои содержат 72-80% никеля, а низконикелевые - 40-50% никеля. Магнитные свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также очень резко изменяются в зависимости от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, окружающей среды и т.д.). Термическая обработка высоконикелевых перма