3.5. Ферритовая керамика

Магнитные материалы, используемые в качестве сердечников для трансформаторов, катушек индуктивности, реле и других электроприборов, представляют собой ферромагнитные сплавы. Основными компонентами этих сплавов являются железо, кобальт, никель, алюминий, кремний и др.

Однако в электронике используют ферромагнитные материалы, называемые ферритами. Это соли железной кислоты и двухвалентного металла (Me), которые имеют общую химическую формулу Me₂O₄. Ферриты удачно сочетают свойства ферромагнетика, диэлектрика и полупроводника. Важнейшей особенностью ферритов является чрезвычайно высокое по сравнению с металлами удельное электрическое сопротивление, находящееся в пределах 10^-2 - 10¹¹ Ом·см. Благодаря этому можно сохранять неизменной заданную величину магнитной проницаемости при частоте от нескольких единиц до нескольких десятков мегагерц. Сочетание высокого удельного электрического сопротивления и высокой магнитной проницаемости позволяет успешно использовать ферриты не только при высоких, но и при низких частотах. Ферриты способны изменять поляризацию проходящих по ним электромагнитных колебаний, что позволяет использовать их также в технике сверхвысоких частот.

Производство ферритов, в основе которого лежат методы керамической технологии, легко может быть автоматизировано. Однако ферритам присущ и ряд недостатков, главный из которых — сравнительно плохая температурная стабильность. Кроме того, изделия из ферритов характеризуются большими отклонениями от средних показателей свойств, что заставляет применять различные искусственные методы их стабилизации.

Ферриты представляют собой обожженную магнитную керамику (плотность около 5 г/см³), поэтому они плохо поддаются механической обработке. Несмотря на эти недостатки, ферриты являются весьма перспективными электро- и радиотехническими материалами, область применения которых постоянно расширяется.

Тело, помещенное в магнитное поле, создаваемое магнитом или током, проходящим по проводнику, приобретает магнитный момент, величина которого зависит от размеров тела и свойств вещества, из которого оно состоит. Если магнитный поток внутри тела однороден, то магнитный момент М выражается формулой

М = IV = χНV,

где V - объем тела; H - напряженность магнитного поля; I – намагниченность, т.е. магнитный момент единицы объема вещества; χ - магнитная восприимчивость. Магнитная восприимчивость χ может иметь как положительные, так и отрицательные значения. Вещества, у которых χ отрицательна, называют диамагнетиками, а вещества с положительной χ - парамагнетиками.

Для всех диамагнитных и большей части парамагнитных веществ значение χ мало и исчисляется величинами порядка 10^-4 – 10^-7 Гс/Э (Гаусс/Эрстед). Лишь небольшая группа парамагнитных веществ отличается высоким значением восприимчивости, иногда превышающим 10³ Гс/Э. Такие вещества называются ферромагнетиками. К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, а также керамические ферромагнитные материалы.

Магнитное состояние тела определяется магнитной индукцией В — векторной величиной, складывающейся из напряженности внешнего магнитного поля Н, в котором находится рассматриваемое тело, и напряженности поля, создаваемого самим намагниченным телом В = μН, где μ — магнитная проницаемость.

Отличительной чертой ферромагнетиков является магнитный гистерезис, т. е. зависимость намагниченности и индукции от ранее действовавших полей.

На рис. 3.12 приведены важнейшие характеристики ферромагнетиков: кривая намагничивания и петля гистерезиса магнитной индукции. По петле гистерезиса намагниченности определяют такие параметры магнитного материала, как коэрцитивную силу Н_с, вершину гистерезисного цикла Н_м, напряженность поля насыщения Н_s, остаточную индукцию В_r, индукцию насыщения В_s и другие параметры.

Рис. 3.12. Кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнетика:

а - кривая намагничивания, гистерезисный участок; б — тоже, загистерезисный участок; в — петля гистерезиса, возрастающая ветвь; г—тоже, ниспадающая ветвь

Важной характеристикой ферромагнетиков является зависимость магнитной проницаемости от напряженности поля, которую называют μ(Н)-кривой. Значение магнитной проницаемости при напряженности магнитного поля, стремящейся к нулю, называется начальной магнитной проницаемостью и обозначается μ_н.

При определенной напряженности поля магнитная проницаемость достигает наибольшей величины, которая называется максимальной магнитной проницаемостью и обозначается μ_м. По форме петли гистерезиса ферриты делят на два класса - магнитомягкие, с узкой петлей гистерезиса и малой коэрцитивной силой, и магнитожесткие, с широкой петлей гистерезиса и большой коэрцитивной силой.

Важным параметром ферритов является относительная остаточная индукция, т. е. отношение В_r/В_s. Петли гистерезиса как магнитомягких, так и магнитожестких материалов могут иметь, в зависимости от состава ферритов и технологического процесса их изготовления, пологую, крутую и прямоугольную формы (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Форма петель гистерезиса ферритов: а—пологая, б— крутая, в —прямоугольная

Сравнение петель гистерезиса ферритов и металлических магнетиков показывает, что у первых индукция насыщения в несколько раз ниже, чем у вторых. Если у широко применяемых металлических магнитомягких материалов (железо, кремнистая сталь, железокобальтовые и железоникелевые сплавы) эта величина находится в пределах 8000—24000 Гс (Гаусс), то у большинства ферритов при комнатной температуре она находится в пределах 1000—6000 Гс.

С петлей гистерезиса связаны многие технические параметры ферритов. Поведение ферритов в различных условиях эксплуатации характеризуется многочисленными параметрами.